亚波长光学的研究
亚波长微纳光学的前沿研究(一)
亚波长微纳光学的前沿研究(一)庄松林;王琦;朱亦鸣;耿滔;张大伟【摘要】Materials and structures in micro and nano scale present many new characteristics different from the macroscopic scale. Mi-cro-nano processing technology has been one of the most popular fields in the current scientific research and industrial development. The preparation and special characteristics of negative refractive material and black silicon are introduced. Micro-nano optical devices play important role in new technology and broad prospects of science and technology innovation.%材料与结构在微纳米尺度展现了许多不同于宏观尺度的新特征，微纳加工技术已经成为当前科学研究与工业开发的热门领域之一。
笔者简要介绍了负折射材料和黑硅这两种微纳光学材料的制备及其特性，展示了微纳光学材料在新技术中的广阔前景和科技创新中的重要作用。
【期刊名称】《自然杂志》【年(卷),期】2012(034)004【总页数】9页(P187-195)【关键词】负折射;反常多普勒效应;黑硅【作者】庄松林;王琦;朱亦鸣;耿滔;张大伟【作者单位】中国工程院,教育部光学仪器与系统工程研究中心;上海市现代光学系统重点实验室;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;中国工程院,教育部光学仪器与系统工程研究中心;上海市现代光学系统重点实验室;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;中国工程院,教育部光学仪器与系统工程研究中心;上海市现代光学系统重点实验室;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;中国工程院,教育部光学仪器与系统工程研究中心;上海市现代光学系统重点实验室;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;中国工程院,教育部光学仪器与系统工程研究中心;上海市现代光学系统重点实验室;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093【正文语种】中文材料与结构在微纳米尺度展现了许多不同于宏观尺度的新特征，微纳加工技术已经成为当前科学研究与工业开发的热门领域之一。
亚波长光栅实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解亚波长光栅的基本原理和特性。
2. 掌握亚波长光栅的制备方法。
3. 通过实验验证亚波长光栅的衍射特性。
4. 分析亚波长光栅在光通信等领域的应用潜力。
二、实验原理亚波长光栅（Sub-wavelength Grating，SWG）是一种新型光学器件，其周期远小于光波波长，具有结构简单、设计灵活、效率高、易于集成等优点。
亚波长光栅通过在光波导中引入亚波长周期性结构，实现对光波的调控，从而在光通信、光传感器、光开关等领域具有广泛的应用前景。
亚波长光栅的衍射特性主要由其结构参数决定，包括周期、狭缝宽度、填充因子等。
当光波垂直入射到亚波长光栅上时，会发生衍射现象，形成特定角度的衍射光。
通过合理设计亚波长光栅的结构参数，可以实现光波的整形、滤波、分束等功能。
三、实验器材1. 光栅制备设备：光刻机、光刻胶、显影液等。
2. 光源：激光器或白光光源。
3. 光路系统：分束器、光栅、透镜、探测器等。
4. 数据采集系统：光电探测器、数据采集卡等。
四、实验步骤1. 亚波长光栅制备：采用光刻技术，在光波导上制备亚波长光栅结构。
2. 光路搭建：搭建光路系统，将光源、分束器、光栅、透镜、探测器等连接好。
3. 实验测量：调整光路参数，使光波垂直入射到亚波长光栅上，通过探测器采集衍射光信号。
4. 数据处理：对采集到的数据进行分析，计算亚波长光栅的衍射效率、衍射角度等参数。
五、实验结果与分析1. 亚波长光栅衍射效率：实验结果表明，亚波长光栅的衍射效率较高，说明其结构设计合理，光波在光栅上的衍射效果较好。
2. 衍射角度：实验结果表明，亚波长光栅的衍射角度与理论计算值基本一致，说明实验结果具有较高的可靠性。
3. 光栅性能分析：通过对实验数据的分析，可以得出亚波长光栅在光通信等领域的应用潜力，例如滤波、分束、整形等功能。
六、实验总结1. 亚波长光栅具有结构简单、设计灵活、效率高、易于集成等优点，在光通信、光传感器、光开关等领域具有广泛的应用前景。
亚波长光栅光学异常透射及wood异常现象的机理研究
亚波长光栅光学异常透射及wood异常现象的机理研究大家好，今天我们来聊聊一个神奇的话题：亚波长光栅光学异常透射及wood异常现象的机理研究。
这个话题听起来有点高深莫测，但其实它就是研究一种特殊的光学现象，让我们一起来揭开它的神秘面纱吧！我们来简单介绍一下亚波长光栅。
亚波长光栅是一种特殊的光学元件，它是由许多平行排列的凹槽和反射面组成的。
这些凹槽和反射面的尺寸都非常小，通常在10-100纳米之间，所以它们可以有效地将入射光分散成不同波长的光线。
这种分散效应使得亚波长光栅在光学研究领域具有非常重要的应用价值。
亚波长光栅为什么会产生光学异常透射呢？这是因为亚波长光栅的特殊结构使得入射光在经过多次反射和衍射后，会产生一些非期望的透射现象。
这些现象可能会导致图像失真、色彩偏移等问题，从而影响到光学系统的性能。
因此，研究亚波长光栅的光学异常透射现象对于提高光学系统的性能具有重要意义。
我们再来聊聊wood异常现象。
Wood异常现象是指在光学系统中，当光源与观察者之间的距离发生变化时，观察者会看到一些奇怪的颜色变化。
这种现象最早由英国物理学家亨利·伍德在19世纪末发现，因此被称为wood异常现象。
虽然wood异常现象看起来很神奇，但实际上它是由于光线在传播过程中发生了色散和衍射等现象导致的。
如何研究亚波长光栅的光学异常透射及wood异常现象的机理呢？这需要我们运用一些专业的光学理论和实验技术。
我们需要了解亚波长光栅的结构和性质，以及它在光学系统中的作用。
我们可以通过设计不同的实验方案，来观察和分析亚波长光栅在不同条件下的光学行为。
例如，我们可以改变光源的位置、角度等参数，以研究这些参数对亚波长光栅光学行为的影响。
我们还可以利用现代的光谱学和成像技术，来更直观地观察和分析亚波长光栅的光学异常透射及wood异常现象。
亚波长光栅光学异常透射及wood异常现象的机理研究是一个非常有趣且具有挑战性的课题。
通过深入研究这些问题，我们不仅可以提高光学系统的性能，还可以为未来更先进的光学技术的发展奠定基础。
表面等离子体亚波长光学前沿进展
物理表面等离子体亚波长光学前沿进展3张斗国 王 沛 焦小瑾 唐 麟 鲁拥华 明 海(中国科学技术大学物理系 合肥 230026)摘 要 目前表面等离子体激元(surface p las mon polarit ons,SPPs )在光存储、光激发、显微术以及生物光子学等领域中的应用前景受到了广泛的关注.文章介绍了SPPs 的基本性质和表面等离子体亚波长光学(surface p las monssub wavelength op tics )研究中的热点问题及发展方向.关键词 亚波长光学,表面等离子体激元,纳米光子器件Progress i n surface pl a s m on subwavelength opti csZHANG Dou 2Guo WANG Pei J I A O Xiao 2Jin T ANG L in LU Yong 2Hua M I N G Hai(D epart m ent of Physics,U niversity of Science and Technology of China,Hefei 230026,China )Abstract Now great attenti on is being paid t o the potential app licati ons of surface p las mon polarit ons (SPPs )in data storage,light generati on,m icroscopy and bi o 2photonics .W e review the p roperties of SPPs and top ics of recent interest in surface p las mon subwavelength op tics .Keywords subwavelength op tics,surface p las mon,nanoscale op tical devices3 国家自然科学基金(批准号:90206002,10474093)、中国高技术研究发展计划(批准号:2002AA313030)、安徽省自然科学基金(批准号:03046204)资助项目2004-11-18收到初稿,2005-03-07修回 通讯联系人.Email:m inghai@ustc .edu .cn1 引言表面等离子激元(surface p las mon polarit ons,SPPs )就是局域在金属表面的一种由自由电子和光子相互作用形成的混合激发态[1].在这种相互作用中,自由电子在与其共振频率相同的光波照射下发生集体振荡.这种表面电荷振荡与光波电磁场之间的相互作用就构成了具有独特性质的SPPs .通过改变金属表面的(亚波长)结构,表面等离子激元的性质,特别是与光的相互作用,也随着变化.表面等离子激元为发展新型光子器件、宽带通讯系统、尺度远小于现在能够达到水平的微小光子回路、新型光学传感器和测量技术提供了可能[2,3].目前,表面等离子亚波长光学成为光学和光子学中迅速发展的研究方向之一.本文中我们介绍SPPs 的基本性质、激发方式,特别介绍它在亚波长光学中的热点问题以及SPPs 研究的发展方向[4].2 表面等离子激元的基本性质及其激发方式图1所示的是在金属薄膜界面上沿x 方向传播的SPPs,其电场方程表示为[1]E sp (x,z )=E 0e i k s p x -k z |z|,(1)上式表明在垂直于金属表面的方向电场强度是呈指数衰减的,对应于SPPs 的表面局域特性.SPPs 另一个独特的性质是近场增强,场增强的程度取决于金属的介电系数、表面粗糙程度引起辐射损耗以及金属薄膜的厚度.在理想平滑表面最大可能的增强可表述为[1]E z =0s pE lihgt2=2εiRe εm2I m εma1+Re εm,(2)・805・ 34卷(2005年)7期其中a 2=|Re εm (εs -1)-εs ,E light 是入射光的强度,εs 是金属薄膜下面的介质的介电常数.比如,当用红光照射60n m 厚的银膜激发SPPs 时,电场强度可以提高两个数量级以上[1].在平滑表面传播的SPPs 的色散关系表达式是:k 2sp =ωc 2εi εm εi +εm,,i =1,2.(3)图1 在金属介质界面上传播的SPPs [1] 图2所示的就是SPPs 和光子的色散曲线,由图可以看出SPPs 的波矢大于光子波矢,所以在光滑平面上无法直接和光耦合,这也说明SPPs 的短波长特性.图2 SPPs 的色散曲线和光波的色散曲线[1]要使光子和SPPs 的波矢相匹配可以利用全内反射中的光子隧道效应(Kretsch mann 结构或者O tt o结构)或者利用衍射效应(如图3所示[5]).图3(a )所示的是Kretsch mann 结构,入射光以大于全内反射角的角度入射到棱镜金属的界面,当满足k sp =ωcεp ris m sinθ时,即可有效地激发SPPs .图3(b )是双层Kretsch mann 结构,在两个界面均可激发SPPs .图3(c )所示是对应于金属薄膜很厚的情况下激发SPPs 所采用的O tt o 结构,这种结构的共振条件和Kretsch mann 结构一样.图3(e )所示是利用近场衍射效应激发SPPs .匹配条件是:图3 激发SPPs 的结构图[5] (a )Kretschmann 结构;(b )双层Kretschmann 结构;(c )O tt o 结构;(d )利用NS OM 探针激发;(e )光栅衍射激发;(f )粗糙表面的激发 k s p =ωcn s (sin θ)u xy δp ±p 2πDu x ±q2πDu y ,(4)式中u xy 是入射光方向的单位矢量,u x ,u y 分别是周期性结构的单位矢量,θ是入射角.对于P 偏振光δp =1,对于S 偏振的δp =0,n s 是与金属接触的介质的介电常数.D 是周期(我们默认x 方向和y 方向的周期是一样的).p,q 是整数,对应于不同的衍射级次.对于粗糙的表面,可以不需要其他特别的结构就可以激发SPPs,如图3(f )所示.这是因为在近场区域内的衍射场包含了所有的波矢.这是一种非共振激发SPPs 的方法,激发效率低.近场扫描光学显微镜(NS OM )的探针可以在给定表面上的任意一点激发SPPs,如图3(d )所示,这种激发方式既可以理解为是由于隧道效应产生的也可以认为是衍射效应引起的.3 当前表面等离子体亚波长光学研究的热点问题3.1 SPPs 光场的探测方法研究目前SPPs 的性质和金属表面结构之间的关系不是很清楚,而与SPPs 相关的器件就是利用SPPs 在金属表面的传播行为和光场分布特性制成的,因此更详细地了解SPPs 的传播行为是非常有必要的.由于SPPs 是局域在金属表面且涉及到亚波长尺度的结构,因此传统的光学检测手段无法探测SPPs 的传播和分布.目前探测SPPs 光场分布最好的手段是・905・物理利用光子扫描隧道显微镜(PST M )或者处于接收模式的近场扫描光学显微镜(NS OM ).如图4所示就是用PST M 探测到的金属颗粒的相互作用的光场分布图和数值模拟的结果[6].如果在金属的表面制作一些特定结构就可以控制SPPs 的传播.比如说合适的金属长条可以用来做SPPs 波导,又比如在周期性调制的光子表面上引入线缺陷就可以用来制作SPPs 波导.图4所示的排成一条线的金属颗粒就可以用来传SPPs [6].图4 (a )PST M 探测的金属颗粒之间相互作用形成的光场分布;(b )F DT D 数值模拟的结果[9]3.2 SPPs 带隙结构的研究最近15年来光子晶体的研究成为光子学的一个热点问题.这些有关光子晶体的器件主要是由一些半导体或者绝缘材料制成的.利用这些材料制成的波长量级的结构可以用来控制光与物质的相互作用.金属材料也可以是用来制作光子带隙结构,如图5(a )所示[7],金属表面上波长量级的周期性结构可以用来改变在其上传播的SPPs 的性质.当这种结构的周期小于SPPs 模的有效波长的一半时,SPPs 的散射将会产生SPPs 行波和SPPs 禁带,色散曲线将会不连续,如图5(b )所示.对于频率处在色散曲线的带隙范围内的,SPPs 模式密度等于零,也就是说在这个频率不能产生SPPs,而在带隙边缘,SPPs 模式的色散曲线是平滑的,也就是说SPPs 模式密度很高,对应着在金属表面电场强度得到了增强.纳米量级的金属颗粒阵列的局域表面等离子激元也可能产生这种光子带隙现象[8].金属颗粒的SPPs 带隙模式的频率和宽度与它的形状、大小、材料、周围介质有关,因此可以用来发展新型传感器[9].3.3 金属微孔结构和狭缝阵列结构的研究1998年,Ebbesen 在Nature 上发表了亚波长金属小孔阵列结构的异常透过现象的文章[10],实验结果表明:该结构的透过光强不仅远高于经典衍射理论计算结果,而且大于按照小孔所占金属表面的面积比的计算结果,这就意味着照在小孔之间的光也图5 (a )金属带隙材料结构;(b )色散曲线[6]能通过某种方式耦合到金属膜的另一边.对于这种增强的一般的解释是:当光照射在这些亚波长小孔的表面发生衍射和散射,将会在其上产生倏逝场,这些倏逝场一部分由于隧道效应穿透到小孔的另一面,在另外一面倏逝场将会被散射,这样将会形成传播场,在这里SPPs 的近场增强特性对倏逝场的衰减进行了补偿,有效地提高了能量的传输效率.在金属薄膜足够薄的时候,金属上下表面的SPPs 将会发生重叠并通过小孔发生相互作用.但是现在关于这种透过增强的机理还不是十分清楚,SPPs 在其中的作用还有不同的解释.2002年,Ebbesen 又在Science 上发表了利用准周期金属微结构控制出射光束质量的实验文章[11].这种结构如图6所示:图6(a )所示的是小孔,在小孔的周围刻有周期性的同心圆沟槽结构,该周期性结构与特定波长的入射光相互作用激发SPPs,由此产生透过增强效应.在出射端刻有同样的周期性结构,透过小孔的光有很好的方向性.图6(b )所示的结构是在金属膜中间刻一长条,在入射面和出射面长条两边都刻有光栅,这种准周期性金属微结构可以很好地控制出射光的能量和方向性.图6(c )所示是数值模拟的两边有周期性沟槽的单个长条出射光场分布,沟槽的周期是500nm ,沟槽深100nm ,宽40nm ,从图中我们可以看到从长条出射的光束方向・015・ 34卷(2005年)7期图6 (a )单个小孔结构;(b )单个长条;(c )经过单个长条的光束准直效应[13]性和强度都很好,因此可以作为一个新型的光源,在高密度磁光存储以及近场探测中都有很好的应用.最近,我们研究小组利用时域有限差分法对金属狭缝阵列结构的透过机理进行了系统深入的分析.首次发现了表面等离子体谐振模式中存在的类Fabry 2Per ot 效应,揭示了表面等离子体谐振模式和波导谐振模式两种透过增强机制在物理本质上的一致性,全面描述了SPPs 对该结构近、远场光学特性和能量耦合传输过程的影响[12].3.4 SPPs 在纳米光刻中的应用由于光学衍射极限的存在,传统的光学刻写方法无法刻出超衍射极限的精细结构.采用近场光学的方法则可以突破衍射极限,刻出超精细结构.2004年,Luo 提出了表面等离子体谐干涉纳米光刻技术(surface pas mon res onance interference nolithography technique ,SPR I N T ),该技术利用具有短波特性的SPPs 的干涉效应产生超精细光场进行刻写.图7(a )所示的就是SPR I N T 的结构示意图[13],入射光的波长是436nm ,在石英衬底上有一层周期是300n m 金属光栅,当入射光的波长满足一定的条件时,将会在金属光栅上激发SPPs,SPPs 相互干涉形成周期比金属光栅小的另一套光场光栅.图7(b )所示的就是用时域有限差分法模拟SPPs 干涉的结果,干涉效应形成的光场光栅周期为100nm ,小于波长的一半(218nm ).图7(c )是利用该结构所做的实验结果,由图可见刻出光栅的周期为100nm ,说明该结构可以突破衍射极限.图7 (a )利用SPPs 干涉光刻结构图;(b )数值模拟的结果;(c )实验的结果[14]我们研究小组对这种结构进行了系统深入的数值模拟分析,发现该技术对光栅和光刻胶之间的间隙有苛刻的要求,增加了实用难度.2004年又有学者提出利用金属银膜的完美透镜效应进行光刻的技术[14].图8(a )所示的是利用银膜在特性波长下的完美透镜特性制成的光刻结构,图8(b )所示的是利用时域有限差分法模拟这种银膜对倏逝场的聚焦特・115・物理性.这种结构对光栅和光刻胶之间的间隙要求不是很苛刻.基于此,我们提出了一种新型近场超分辨光刻技术———SPPs 干涉完美成像技术的设计方案,数值模拟的结果表明该结构不仅能保持很高的空间分辨率也具有更好的空间容忍度[15].图8 (a )利用银膜超透镜效应的光刻结构;(b )数值模拟的结果[15]4 表面等离子体亚波长光学的其他发展方向SPPs 除了在小尺度光子回路上有很好的应用外,在其他的光子技术方面也有很好的应用前景.最显著的就是在光的产生方面,比如在有机发光二极管、量子阱激光器光子等器件中的应用[16—18],这些都是表面等离子体亚波长光学的发展方向.另外,由于SPPs 将光的能量聚集在亚波长结构中会引起电场强度的增强,从而会产生非线性现象,因此可以利用这个效应发展近场非线性光学[19,20].如利用非线性现象制作纳米量级的光学开关,又如,用于探测新分子的近场拉曼光谱仪经常利用表面等离子体共振增强效应来增强光信号[21].同时负折射率介质是当前国际研究的热点问题,研究发现:这种特殊物质的一些奇特性质可以利用金属材料来实现,并且和SPPs 密切相关,这也为SPPs 研究和应用开辟了一条新道路[22].参考文献[1]Raether H.Surface Plas mons .Ed .Hohler G .Sp ringer,Ber 2lin,1988[2]Hecht B ,B 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亚波长光栅及其应用的研究
亚波长光栅及其应用的研究一、引言亚波长光栅是指光栅周期小于入射光波长的一种光学元件，具有多种应用场景。
本文将对亚波长光栅及其应用进行详细研究。
二、亚波长光栅的制备方法1. 电子束曝光法：利用电子束在感光材料表面进行曝光和显影，形成亚波长级别的图案。
2. 原子层沉积法：通过原子层沉积技术将金属或半导体材料沉积在基底上，形成亚波长级别的图案。
3. 离子束刻蚀法：利用离子束对材料表面进行刻蚀，形成亚波长级别的图案。
三、亚波长光栅的特性1. 具有高分辨率和高传输效率。
2. 可以实现多通道分离。
3. 可以实现非球面透镜功能。
四、亚波长光栅在激光技术中的应用1. 激光全息术：利用亚波长级别的全息记录介质记录激光干涉图案，可以实现高分辨率的图像重建。
2. 激光光栅压缩：利用亚波长级别的光栅对激光进行压缩，可以实现超短脉冲激光的产生。
3. 激光波前调制：利用亚波长级别的光栅对激光进行波前调制，可以实现高质量的激光束成形。
五、亚波长光栅在微纳加工中的应用1. 纳米结构制备：利用亚波长级别的光栅对材料进行刻蚀或沉积，可以制备出纳米级别的结构。
2. 微纳器件制备：利用亚波长级别的光栅对材料进行加工，可以制备出微纳级别的器件，如微透镜阵列、微流控芯片等。
六、亚波长光栅在生物医学中的应用1. 免疫检测：利用亚波长级别的全息记录介质记录生物分子信息，可以实现高灵敏度和高特异性的生物分子检测。
2. 细胞成像：利用亚波长级别的全息记录介质记录细胞信息，可以实现高分辨率的细胞成像。
七、亚波长光栅的发展趋势1. 制备技术的进一步提高，实现更高精度和更大尺寸的亚波长级别光栅。
2. 应用领域的拓展，如在量子计算、光子芯片等领域中的应用。
3. 与其他技术的结合，如与人工智能、虚拟现实等技术结合，实现更多样化和智能化的应用。
八、结论亚波长光栅具有多种特性和应用场景，在激光技术、微纳加工和生物医学等领域中都有广泛应用。
未来随着制备技术和应用领域的不断发展，其应用前景将会更加广阔。
亚波长光学元件光学特性的研究的开题报告
亚波长光学元件光学特性的研究的开题报告1.研究背景与意义近年来，随着光子晶体材料、表面等离子体光学等新型材料和新型结构的出现，亚波长光学元件已成为实现光学调控、信息传输等领域的热门研究方向。
亚波长光学元件具有表面电磁场形变大、超焦耳、局域化等独特的光学特性，因此能够在纳米尺度下实现高精度的光场调控和传输。
这种特殊的光学特性为实现更高速、更高分辨率的光学信息传输和光学器件的微型化提供了新的思路和方法，其在通讯、信息存储、显示、传感、照明等方面都有着广泛的应用。
2.研究内容与方法本文主要研究亚波长光学元件的光学特性。
通过理论分析和数值计算方法，分析亚波长光学元件的局域化和增强现象，探讨如何利用这些特性实现纳米级别的光学调控。
同时，基于该研究成果，设计和制备具有局域化和增强效应的亚波长光学元件，并通过实验验证其特性。
其中，制备亚波长光学元件的方法主要是光刻技术和电子束曝光技术。
3.预期成果本研究旨在研究亚波长光学元件的光学特性，并通过制备实验进行验证，具体成果包括：1)明确亚波长光学元件的光学特性；2)制备具有局域化和增强效应的亚波长光学元件；3)验证亚波长光学元件的特性；4)在亚波长光学元件的基础上实现高速、高精度的光场调控和传输；5)为实现更高速、更高分辨率的光学信息传输和光学器件的微型化提供新的思路和方法。
4.研究难点亚波长光学元件的局域化和增强效应研究是目前光学领域中的热点问题之一，但该方向的研究难点也十分明显，具体包括：1)光学特性的分析和计算方法有限；2)制备技术需要高精度的加工设备和技术支持；3)在制备过程中需要克服工艺上的困难，如表面质量、衍射和噪声等问题；4)实验中需要实现高精度的测试方法和设备；5)在实际应用中还需要进一步探索实现方法和技术。
5.研究计划本研究计划分为以下几个阶段：1)熟悉亚波长光学元件的基本知识和研究现状；2)理论分析和数值计算亚波长光学元件的光学特性；3)设计和制备具有局域化和增强效应的亚波长光学元件；4)进行实验验证，并探究亚波长光学元件实现高精度光学调控和传输的方法；5)总结分析并进一步完善亚波长光学元件的研究进展。
基于二元光学矢量理论的太赫兹亚波长功能器件研究
基于二元光学矢量理论的太赫兹亚波长功能器件研究太赫兹功能器件作为太赫兹系统应用的重要基础和关键,在太赫兹应用系统构建中的作用不可或缺,因此逐渐成为国际研究的热点。
目前已有基于光子晶体法、金属微结构法、液晶法等方法设计太赫兹滤波器、偏振分光器,波分复用器、光开关的报道,但研究手段主要集中在光子晶体方法,通过其他方法设计太赫兹功能器件的理论、设计和制作方法的研究力度仍有所欠缺,而且目前所设计的太赫兹功能器件都是采用比较复杂的人工结构,设计方法较为单一、制造加工难度大、成本较高。
基于此,本文围绕太赫兹亚波长结构功能器件理论设计及其应用展开研究,结合二元光学矢量衍射理论与全局优化算法,提出亚波长二元简单周期结构以实现太赫兹偶数分束。
研究结果表明,在合适的材料和结构参数设置下,该结构可实现零级有效抑制、高衍射效率、高均匀性的太赫兹偶数分束,突破标量理论设计局限性,可降低器件制作难度和成本,可拓展到太赫兹滤波器、太赫兹吸收器、太赫兹调制器、太赫兹波带片等太赫兹功能器件,应用于未来太赫兹光通信和成像系统中。
本文的主要创新性研究内容如下:1、研究亚波长二元简单周期结构的分束特性,提出运用该结构以实现波导耦合输出的偶数分束。
以太赫兹波段为例,建立科学的目标评价函数,结合二元光学矢量衍射理论和全局优化算法,优化光栅结构参数(如占空比f、光栅周期d、槽深h),设计得到了多个波导耦合型偶数分束器,有效实现零级抑制下的高衍射效率均匀偶数分束。
研究结果表明,在最优的结构参数下,硅基4分束器在太赫兹波段的分束总效率可达91.83%,零级衍射效率抑制在0.211%以下,均匀性误差控制在1.52×10-4以内,各分束能量达到均匀分布,偶数分束性能非常好。
在此基础上,我们深入探究了本研究设计方法突破传统标量理论局限性的物理机理,其物理机制是:零级衍射光在亚波长结构内发生共振效应以及干涉相消效应而无法透射,而其他非零级次上同时满足干涉相长条件,将更多的能量分配到其他非零级次上。
导模共振亚波长器件的机理及特性研究
导模共振亚波长器件的机理及特性研究导模共振亚波长器件的机理及特性研究导模共振亚波长滤光器件因为具有极窄的带宽、极高的衍射效率和结构简单等优点，近年来受到了人们广泛的关注。
利用导模共振效应，可以设计出性能卓越的光学滤波器，偏振分离器等光学器件，促进光通信以及相关光学领域的发展。
本论文利用亚波长光栅导模共振效应，对具备滤光和高反特性的导模共振亚波长滤光器件从理论设计、实验制备以及应用三个方面进行了研究，基于全息工艺制备了共振波长在693nm的可见光波段的导模共振滤光器件，设计了几种可调谐导模共振滤光器件，并分析讨论了导模共振器件的应用前景。
本文首先介绍了严格的矢量衍射理论，并阐述了利用耦合波方法分析处理不同偏振入射时的矩形槽光栅的衍射问题的一般过程。
基于亚波长光栅结构的导模共振异常现象，分析了不同的结构参数对导模共振滤光器件光学特性的影响，通过调节这些结构参数可以设计出具有理想滤光特性曲线的导模共振滤光器件的结构。
研究了光栅结构之下的薄膜层对亚波长光栅导模共振滤光器件的光谱特性的调控现象，并利用这种调控作用进行了两种创新方法和技术的研究：（1）在设计亚波长导模共振滤光器件的结构方面，通过调整光栅层结构之下的薄膜层厚度来达到不改变导模共振滤光片的光学特性的前提下减小光栅层槽深的设计要求，可以解决所设计光栅槽深过深带来制备工艺的困难，从而达到降低导模共振滤光片的制备难度的目的；（2）在制备亚波长导模共振滤光器件方面，分析了亚波长光栅结构的双层导模共振滤光片制备过程中由于对光栅层的过刻蚀现象造成的制备误差从而导致导模共振滤光片光谱漂移的现象。
提出了通过对制备后期的滤光片镀上一定厚度和折射率的薄膜层可以修正由于周期和光栅槽深的制备误差而引起的光谱漂移现象，从而降低了亚波长导模共振滤光片对光栅周期和槽深制备精度的要求，降低了导模共振滤光片结构的制备难度，提高了样品制备的成品率。
针对导模共振光学元件在光通信、防伪以及可调谐激光器等领域的应用，基于严格的耦合波理论，研究了几种具有窄带高反射功能的可调谐导模共振滤光器件。
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三、亚波长光学的研究方法
1、衍射理论基础
圆孔衍射
狭缝衍射
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（1）标量衍射理论 1.惠更斯原理
波动传播到的各点都 可看作是发射子波的 波源，在其后的任意 时刻，这些子波的包 络就是新的的波源。
2.惠更斯—菲涅耳原理
整个波面 S 在 P 的振动：
K ( ) Ads E C exp(kr t )dS r S
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3. Helmholtz－Kirchhoff积分定理的一种形式
1 U ( P) 4 exp(iks) U exp(iks) { s n U n [ s ]}dS S
边界条件 限制下
4.菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式
iA exp[ik (r s)] U ( P) [cos(n,r ) cos(n, s)]dS 2 A rs
Fresnel衍射公式
Fraunhoff衍射公式
exp[ik (r s)] U ( P) [cos(n, s)]dS S rs iA
• 远场光学在原理上存在着一个远场衍射极限，限制了显微 和其它光学应用时的最小分辨尺寸和最小标记尺寸。
圆孔衍射
• 近场光学研究距离光源或物体一个波长范围内的光场分布， 打破远场衍射极限，在原理上分辨率极限不再受到任何限 制，因此近场光学可提高光学分辨率。 • 近场光学技术的光学分辨率可以达到纳米量级，这将为纳 米科技的发展提供有力的操作、测量方法和仪器系统。
• 1982年宾尼及罗勒制作出第一台电子扫描穿隧显微仪。 1986年，获得当年度诺贝尔物理奖。 • 1982-1988年间，费雪等人在德国哥廷根的马克士普郎克 研究中心、普尔等人在瑞士IBM研究中心以及刘易斯等人 在美国康乃尔大学，以STM的探针控制技术进行近场光学 显微仪的制作。
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• 1984年瑞士苏黎世研究室的普尔等人研制成功了世界上第一 台近场扫描光学显微镜。 • Leviatan在1986年和Roberts在1987、1989、1991年运用 Bethe的理论分形了近场显微术中非常重要的孔经效应，确 认了孔经附近倏逝波的存在。 • 1986年宾尼等人在美国斯坦福大学发明的原子力显微镜。 • 基于隐失场探测的近场扫描光学显微镜、近场光谱仪已经 在物理、生物、化学、材料科学等领域中得到应用. • 基于近场光学可实现纳米光刻和超高密度近场光存储、纳 米光学元器件、纳米尺度粒子的捕获与操纵等。 • 大量应用于生物、医学、半导体及高分子材料等研究。
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常见的亚波长结构
1）亚波长缝 2）亚波长孔 3）亚波长缝簇 4）亚波长孔簇 5）亚波长散射单元
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亚波长光学的意义
设计亚波长 光学元器件 获取微小的 光子回路
光源
传输
处理
光源的尺寸 越来越小
实现高密度 信息存储
新型光学传 感器
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二、亚波长光学的研究进展
• 基于近年来表面等离子体激元的研究和纳米技术 的发展，2003年Barnes提出了亚波长光学。
蓝宝石基底上镀上1-3.5微米厚的金，再热蒸镀锌长2-10微米、直 径为20-150纳米的ZnO纳米线，自然形成激光腔，Nd:YAG激光泵 浦获得385纳米激光输出。
• 2004年哈佛大学Charles和Lieber在Nature上报道研 制了用电激励泵浦的纳米激光器。
硅基底上涂硫化镉纳米线，电流通过纳米线发出蓝色光。
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如何激发表面等离子体激元？ 1)激发表面等离子体激元方式一 全反射
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对应于短波长处的透射峰值－表面等离子体激元共振
全内反射时,渗透到金属薄膜内的倏逝波引发金属中的自由 电子产生表面等离子体子, 当表面等离子体与倏逝波的频 率相等时,二者将发生共振。入射光被金属表面电子吸收, 界面处的全反射条件将被破坏，使反射光能量急剧下降,呈 现衰减全反射现象。 19
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• 实际介质如金属其介电常数的频率依赖性决定了其微 结构甚至平面结构能够激发可用倏逝波函数表征的局 域本征模式。 • 1968年Otto利用衰减全反射法，在实验中测量了界面 激元实际为等离子体激元的色散关系。使研究重点从 倏逝波聚焦在表面或界面的非辐射束缚模式上。 • 1971年Kretschmann又给出了利用衰减全反射法用不 同结构同样获得了界面激元，Kretschmann结构也为 SPR型传感器奠定了基础。 • 纳米光学的发展，使束缚模式的机理研究逐渐拓展到 应用领域。出现集成光学。光子器件的尺寸也逐渐缩 小至纳米量级，对光束实现控制。
由于界面两侧法向电场不连续，界面上存在电荷密度， 电荷密度可表示为波的形式，其传播速度小于光速。 外界的电磁振荡可诱导产生表面等离子体激元。
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注意如下三个过程：
• 表面等离子体激元的产生 • 表面等离子体激元的耦合 • 表面等离子体激元的激发 表面等离子体激元存在与金属与介质界面上，但并非所有 金属均能支持表面等离子体激元，仅但金属的介电常数的 为负值时，才能支持产生表面等离子体激元。如贵金属银 、金等。
• 纳米加工达到纳米级精度，如电子束光刻加工超大规模 集成电路时可实现0.1μm线宽；离子刻蚀可实现微米级和 纳米级表层材料的去除；扫描隧道显徽技术可实现单个 30 原子的去除、扭迁、增添和原子的重组。
纳米激光器
• 2001年California大学Huang和Yang在Science上发 表室温紫外辐射的纳米激光器
2)激发表面等离子体激元方式二
周期刻蚀
沿金属界面传输的表面等离子体激元被光栅的周期性缺陷 中断，当表面等离子体激元与光栅周期相当时,二者将发生 共振,表面等离子体激元被辐射。
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3)激发表面等离子体激元方式三 有随机缺陷的表面形貌的散射
沿金属界面传输的表面等离子体激元被散 射单元散射，表面等离子体激元被辐射。
• 1941年,Fano发现这种Wood异常是由等离子波造成的，意 识到金属光栅衍射的反常现象和局域在光栅表面的束缚 电磁模有关。 • 1958年,Turbader首先对金属薄膜采用光的全反射激励的 方法,观察表面等离子共振现象。 • 1965年Hopfield提出了激元的概念。由入射光激发的极化 波，是凝聚态物质的一种本征模式。这就允许研究者考 察该种本征模式在物质表面和薄膜界面的激发条件。
光源
传输
调制
探测
成像
显示 存储
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• 典型的光学系统
光源
透 镜
物 体
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光纤通信与传输
光纤通信
光存储
光 学 的 广 阔 应 用
光存储 光学信息处理 光计算 光计算 在线检测 激光打印 危险环境测量 激光医学 光遥感 光空间传输 光开关 激光加工 军事应用 光通信
光应用计算 分光分析 遥感测量 精密计量 光传感
• Optics is science, technology, and engineering with light.
• 日常生活中光学：眼睛、照相机、望远镜、显微 镜；光通信、互联网；激光打印机、扫描仪；CD、 DVD；条形码阅读机、安检。
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• 光学的研究范畴：光的本性、光的产生与控制、 光的传输与检测、光与物质相互作用，以及研究 光在科学研究和技术中的各种应用。
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近场光学的发展历程
• 1928年英国辛格和1956年美国的欧基夫先后提出在近场光 学中进行光学测量，可避免大于一个波长的距离之后光波 动性质的呈现与干扰，获得超越绕射极限的空间分辨率。 • 1929年亚许(E.A.Ash)与尼可斯(G.Nichols)以波长是3cm 的微波证实在近场范围中达到1／60波长的空间分辨率。
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表面等离子体激元带来的新现象 现象1、增强透射
一亚波长尺寸的圆洞被同 心周期槽状圆圈环绕时， 观察到透射增强现象。
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现象2、聚束效应
光照明一被光栅结构包围的 亚波长圆孔时，辐射的电磁 波出现很强的角度限制。 当入射光频率接近表面等离 子体激元共振频率时，光束 的角发散度仅为3o。
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现象3、超分辨成像
• 亚波长光学器件可在纳米尺度上操纵和控制光子， 因此在全光集成、光通信、信息存储和集成光子 学等领域具有突出的优势。
• 新型的亚波长光学器件如纳米天线、亚波长成像 和超分辨透镜以及纳米光纤等的原理和设计成为 近年来人们研究的热点。
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1、表面等离子体激元的研究
• 1900年Wood发现光波通过光栅后,光频谱发生了小区域损 失,称为Wood异常现象，这是关于SPR的最早记载。
基于超透镜的表面 等离子体激元纳米 光刻蚀术与传统的 纳米光刻蚀术性能 的比较。
分辨力提高了4倍
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2、近场光学
近场：一般指物体附近十分之一波长的距离范围。
/ 10
辐射场
倏逝波
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• 近场光学是伴随扫描近场光学显微术而发展起来的光学分 支，它研究物体表面近场区域光与物质相互作用的各种复 杂现象，如光的散射、反射、衍射、吸收和光谱学等等。
• 高密度存储，纳米量子结构、量子电路及其基础技术得 以实现。
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• 纳米技术（nanotechnology）一般指纳米级(0.1一100nm) 的材料、设计、制造，测量、控制和产品技术，是用单个 原子、分子制造物质的科学技术。
1990年IBM公司阿尔马登研究中心的科学家使用扫描探针设 备把35个氙原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。 1993年，中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出 “ 中国”二字。
亚波长光学的研究进 展及应用
滕树云
2011-4-29 山东师范大学物理与电子科学学院
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主要内容
• 什么是亚波长光学 • 亚波长光学的研究进展
• 亚波长光学的研究方法
• 亚波长光学的应用
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一、亚波长光学
1、光学 (Optics)