纳米光子学材料与器件的研究进展

Applied Physics 应用物理, 2011, 1, 9-19

doi:10.4236/app.2011.11002 Published Online April 2011 (https://www.360docs.net/doc/e91186815.html,/journal/app/)

Research Progress in Nanophotonics

Materials and Devices

Junxi Zhang *, Lide Zhang

Institute of Solid State Physics, Key Laboratory of Materials Physics, Chinese Academy of Sciences,

Anhui Key Laboratory of Nanomaterials and Nanotechnology, Hefei

Email: jxzhang@https://www.360docs.net/doc/e91186815.html,

Received: Mar. 23th, 2011; revised: Apr. 6th, 2011; accepted: Apr. 7th, 2011.

Abstract: The investigation field of nanophotonics is presented, this article provides a comprehensive review of research activities in nanophotonics materials and devices, and furthermore, the research progress of the materials and devices based on quantum confinement effect, light emission, surface plasmon polaritons (SPPs), and periodical structures is demonstrated significantly.

Keywords: Nanophotonics; Nanophotonics Materials; Nanophotonics Devices; Quantum Confinement;

Light Emission; Surface Plasmon Polaritons; Photonic Crystal; Nanowire Grid Polarizers

纳米光子学材料与器件的研究进展

张俊喜*，张立德

中国科学院固体物理研究所，中国科学院材料物理重点实验室，

安徽省纳米材料与技术重点实验室，合肥

Email: jxzhang@https://www.360docs.net/doc/e91186815.html,

收稿日期：2011年3月23日；修回日期：2011年4月6日；录用日期：2011年4月7日

摘要：介绍了纳米光子学的研究范畴，综述了纳米光子学材料和器件的研究动态和热点，着重阐述了基于量子限域效应、光发射、表面等离子体激元和周期性结构纳米光子学材料和器件的研究进展。

关键词：纳米光子学；纳米光子学材料；纳米光子器件；量子限域；光发射；表面等离子体激元；光子

晶体；纳米线栅偏振器

1. 引言

随着人类对信息永无止尽地追求，信息的传输和处理速度越来越快、数据存储密度越来越大已成为必然趋势。预计到2015年光纤传输系统的数据速率高达10 Tb/s ，这就要求光子器件的尺度进一步减小并最终突破光的衍射极限而达到亚波长甚至纳米尺度。既然传统的光子器件对光的操纵受到光的半波长衍射极限的限制，因此探索光与物质在纳米尺度上相互作用的新原理、制备纳米光子学材料、构筑纳米光子器件以及发明纳米光子学制造技术将面临着新的挑战和机遇。

纳米光子学是研究在纳米尺度上光与物质相互作用的科学与技术，在纳米尺度上实现对光子的操纵和光学器件的构筑是纳米光子学的研究目标。纳米光子学不仅为研究在小于光波长的尺度上光与物质的相互作用过程提供富有挑战性的机遇，而且为纳米光子学材料在光子器件、纳米医学、纳米生物学等方面的应用创造了新的空间，同时为在更小尺度上的光学制造技术开辟了一条新的途径。人们对这种科学探索和技术发明的不断追求就是在逐步实现Richard P. Feynman 的预言：“在下面尺度有大量的空间。”[1]作为一个新的前沿领域，纳米光子学已经引起了世界

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Table 1. Category and content of nanophotonics

表1. 纳米光子学内容分类

范围内的广泛关注和极大兴趣。纳米光子学主要分为以下三个部分[2,3](表1)。

一是在纳米尺度上限制物质。在纳米尺度上构筑物质结构为控制材料的光学和电学性能提供了强有力的工具，已成为材料科学研究的前沿领域。通过选择不同类型的材料和控制材料的局域结构(如形貌和尺寸等)可以实现对光学性能的调控，不仅体现在线性光学而且在非线性光学中出现很多新奇的现象。例如，可以控制光学共振和局域场相互作用，通过控制局域声子态密度来操纵激发动力学以及通过控制结构之间的相互作用影响能量转换等。

二是在纳米尺度上限制波的辐射。传统光学研究的是光在远场空间的行为，由于光的衍射限制，所获得的光学信息是在宏观区域内的平均响应。近场扫描光谱(NSOM)和光子扫描隧道谱(PSTM)突破了光的衍射限制因而使得在纳米尺度上探测局域光场和研究近场区域光与物质相互作用成为可能。而且近场光学技术提供的高精度和高分辨将会在纳米光子学加工和制造中扮演重要角色，例如将锥形光纤探针涂上金属，光可以从远小于入射光波长的光纤探针尖端上发射而实现隧穿。

三是在纳米尺度上的光学加工。驱动未来工业应用需求的一系列光学加工技术越来越受到关注，包括集成电子线路，集成光电子耦合，表面处理，数据存

储等。这些应用必然要求大幅度提高光学处理技术的精度和分辨率。传统光学加工器件的空间分辨依赖于光源的光斑尺寸而受到衍射极限的限制，而在纳米尺度上的光学加工不受这些限制而可以实现高精度和高分辨，同时可以为设计纳米光子结构和功能单元以及纳米结构器件提供一条行之有效的途径。

2. 基于量子限域效应的纳米光子学材料

由于半导体量子点的尺寸小于其激子波尔半径，所激发的电子与空穴的库仑相互作用很弱并形成各自能级，这使得半导体量子点有类似于原子分立能级的特征，因此可以产生窄线宽的荧光发射(线宽可以小于K B T)和高的荧光发射效率，从而显示出很强的量子限域效应。量子点的荧光可以通过单激发态[4-8]、双激发态[9,10]和多激发态[11,12]跃迁来实现。

既然尺寸分布不均匀会导致光发射谱加宽，要实现这种窄的荧光发射特性就需要制备尺寸分布均匀的高质量的量子点或单个量子点，目前的工作主要是围绕这方面展开的。如所制备的高质量直接带Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点(CdSe [12-19], CdS [11], CdTe [20,21], C d S e /Z n S e [22], Cd S e /Zn S [23]等)和Ⅲ-Ⅴ族(如InAs [4-6,24-27], InP [28,29], InAs/GaAs [30-32], InGaAs [33-35], InGaN [36], 和AlGaAs-GaAs [37]等)显示很高的荧光效率而可以作为很好的发光材料。另一方面，研究Si

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纳米结构的荧光性能主要集中在多孔硅[38,39]和硅纳米晶[40-42]上，而这些Si 纳米结构的荧光发射带很宽。Sychugov 等通过单个量子点荧光谱研究了从低温到室温单个Si 纳米晶的发射线宽[43]。结果显示单个Si 量子点在35 K 显示了窄的发光(线宽为2 meV)，至少可以达到直接带半导体量子点线宽，证实了强的量子限域效应。与多孔硅和Si 纳米晶相比非晶硅(a-Si)本身的特点和a-Si 量子点的量子限域效将期望在短波段作为很好的发光材料。Park 等报道了采用PECVD 的方法在SiN 薄膜上制备高质量的a-Si 量子点并在实验上首次证实了在零维a-Si 中的量子限域效应导致强的荧光发射[44]，而且通过控制量子点的尺寸可以调制

Figure 1. Exciton absorption spectrum of ordered

PbSe nanowire arrays

图1. PbSe 纳米线有序阵列的激子吸收谱

(a) (b)

Figure 2. Excitation (a) and emission (b) spectra of an InP nano-wire (the solid and the dashed lines correspond to the polarization directions of the exciting laser aligned parallel and perpendicular to the nanowire axis, respectively, inset, the spectra of the polariza-tion ratio as a funcition of energy)

图2. 单根InP 纳米线的激发谱(a)和发射谱(b)(实线和虚线分别为

偏振方向平行和垂直于纳米线的谱图，插图是偏振度谱)

光发射波长(带隙从2.0 eV 到2.76 eV)。由于量子点光发射的光沿各个方向传播，因而需要大的立体角的探测元件，这对光的探测器件提出了很高要求，那么针对这一难题可以通过调控发射光的传播方向来解决。最近Curto 等设计了一种可以单方向传播的量子点光发射元件[45]，是将单个量子点直接耦合到一种Yagi-Uda 纳米天线上，这种通过在纳米天线的近场耦合产生的表面等离子体共振增加了光发射效率，而且量子点发射光具有很好的偏振性能和窄的发散角，其光发射方向性能够通过纳米天线的尺度进行控制。Bleuse 等报道了将单个InAs 量子点组装到GaAs 量子线中实现对光发射的控制[46]，这里量子线强烈地阻止自发光发射的连续辐射模式而产生一种有效的漏斗状的导光模式，即具有很好的方向性，这种复合结构有望作为一种单光子或纠缠光子对的高效量子光源。

和量子点类似，如果纳米线的直径小于激子波尔半径时也会产生量子限域效应。Korgel 小组采用超流液相法制备了直径为4～5 nm 的Si 量子线并观察到由量子限域效应引起的可见波段的荧光发射[47]，并在紫外到可见波段发现了窄的分立的光学跃迁以及强的带边荧光发射，这些光学特性主要来源于量子限域效应的贡献。最近Lansbergen 等通过在p 型Si 纳米线构筑场效应晶体管通道中进行单个As 原子掺杂实现对掺杂原子波函数的调制[48]，通过晶体管栅极电势能够控制掺杂原子和邻近量子阱核势垒之间单电子掺杂态的杂化度，从而实现对单个掺杂原子的量子限域行为的控制。张立德小组报道了在氧化铝模板中组装PbSe 纳米线[49]，并观察到强的量子限域效应。由于PbSe 的激子波尔半径为46 nm [50]，

这样就能在较大尺寸的PbSe 中较容易的观察到强的量子限域效应。对

部分去除氧化铝膜的PbSe 纳米线阵列(纳米线直径为50 nm)的激子吸收谱研究显示从可见到紫外区存在两个很强、较宽的吸收峰(图1)，位置分别在280 nm 和434 nm 处，经分析研究发现位于280及434 nm 处的峰分别来自于1s e -1s h 和1p e -1p h 激子跃迁吸收。

3. 基于纳米线光发射的材料和器件

3.1. 偏振各向异性的发光材料

Lieber 小组研究了单根InP 纳米线室温下的光发射特性[51]，发现当入射激光偏振方向从平行转变为垂直于纳米线轴向时荧光发射从开的状态转变为关的

I n t e n s i t y (a .u .)

1.0 0.5

0.0

1.2 1.4 1.6 1.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Energy (eV) Energy (eV)

1.4 1.5

1 0

0 0 1.2

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状态，显示了偏振各向异性的发射特性(图2)。他们预言了这种偏振敏感的半导体纳米线可以用在高密度光学元件之间的连接和光子线路中，同时有望在宽波段范围内包括光通信波长上作为高分辨探测器。

3.2. 纳米激光器

量子线或纳米线是研究尺寸对电子传输、光学性能调控的理想体系，可望作为纳米光子器件和光电子器件中的连接和功能元件。杨培东小组系统地研究了ZnO 纳米线阵列的光发射特性并发现在室温下展示了紫外激光行为[52-54]。当激发功率低于激光阈值时显示的是一个自发发射的宽发射峰(半高宽为17 nm)，这种光发射是由于激子复合产生的。随激发功率的增加，发射峰会变窄，当激发功率超过激光阈值(40 kW·cm -2)时，发射峰变得很窄(线宽小于0.3 nm)。这种ZnO 纳米线阵列中观察到的激光行为表明并不需要制备单晶、像镜面端口的纳米线作为谐振腔。类似的激光发射在单根ZnO 纳米线[55]、单根GaN 纳米线[56]和InGaAs/GaAs 异质结纳米柱[57]中也已经被观察到。

最近人们通过采用表面等离子体激元(SPPs)效应来限制纳米激光器光发射行为[58-60]。Noginov 等设计了一种尺寸为44 nm 的spaser 激光器

[59]

，这种激光器

是采用Au 纳米颗粒(核)/掺杂染料的氧化硅(壳)结构来实现，这种结构完全克服了SPPs 在光学增益介质中的传输损耗，SPPs 效应能够实现在一个纳米尺度的谐振腔中的光学频率共振而输出激光，这种spaser 激光器是目前报道的在可见光波段(531 nm)最小的激光器。

3.3. 纳米发光二极管

Lieber 小组采用构筑纳米线p-n 结实现了二极管发光行为[61]。他们将p-型间接带隙半导体(如Si)纳米线和n-型直接带隙半导体(如CdS ，CdSSe ，CdSe 和InP 等)纳米线交叉连接构筑了纳米发光二极管(NanoLED)，当加上高于带隙的偏压时n-型半导体纳米线单元会产生光发射而间接带隙Si 纳米线是中性的。他们还将p-Si 与n-GaN, CdS 和CdSe 交叉连接组装成多颜色NanoLED 阵列(图3)，发光峰位分别在365 nm ，510 nm 和690 nm ，相应于GaN, CdS 和CdSe 的带边发射。这种交叉连接的NanoLED 的发射颜色只受到直接带隙半导体的限制，而且器件有效面积为纳

Figure 3. Schematic image of a multicolor NanoLED array

NanoLED 阵列的示意图

米尺度因而可作为点光源，同时可以获得单一颜色和多重颜色，并可以实现光子和电子元件的集成。Taniyasu 等设计了一种AlN 紫外LED(波长在210 nm)[62]，通过在AlN 中的p 型(Mg 掺杂)和n 型(Si 掺杂)共掺杂获得p-AlN/AlN/n-AlN(AlN PIN)的同质结并可实现6 eV 的宽直接带隙，其发光来自于激子跃迁，这是目前报道的最短波长的LED ，有望用于高密度光存储和生物医学等领域。最近人们也采用有机聚合物(如PF-TAA 和NRS-PPV)设计了从蓝光到橙色到红光的LED [63]。

4. 基于表面等离子体激元的光子学材料和器件

当物质结构的尺度减小到纳米尺度时，操纵光子将面临着突破光的衍射极限的困难，这使传统光学器件进一步小型化受到限制。激发表面等离子体激元(SPPs)有望给将来的光子器件开辟一条捷径。SPPs 是一种沿着金属表面传播的电荷密度波，在光与金属表面自由电子相互作用时自由电子会在金属与电介质界面发生集体振荡而产生表面等离子体激元，进一步它与光场耦合会导致局域场增强。SPPs 将在亚波长光学(如SPPs 波导[64-71]，

SPPs 光源[72-76])、近场光学[77-80]、表面增强光谱[81-85]、

数据存储[86-88]、太阳能电池[89-91]、化学[92,93]和生物传感器[94-96]等方面有潜在的应用。

4.1. SPPs 波导

Quinten 等采用球形Ag 纳米颗粒排列成线形链构筑亚波长光波导[64]，其原理就是通过颗粒间的耦合作用实现光传输。当光只照射Ag 纳米球链的最下端第一个颗粒时，发现偏振方向平行纳米球链轴时SPPs 被激发，而且其它纳米球经耦合相继得到振动能量而使SPPs 沿链传播；而偏振方向垂直纳米球链轴时

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SPPs 波发生明显衰减。Weeber 等报道了采用金属纳米线实现光的传播[66]。在电介质基底上淀积金属纳米线，线的短轴远小于入射光波长而线的长度大于光波长。采用某一波长的聚焦平面波照射纳米线的一端(entrance)时，在纳米线的另一端(exit)的近场区域出现了光场分布，这表明SPPs 会沿纳米线传播。进一步结果表明在不同波长的入射光照射下，纳米线近场光强分布明显不同。采用633 nm 的光照射时近场区只有照射点有光场，而用835 nm 的光照射时发现在另一端近场区域有较强的光场(图4)。最近Oulton 等将电介质圆柱纳米线用金属表面进行分隔[68]，这种混杂结构可以在金属与电介质界面实现SPPs 传输，这种混杂结构的SPPs 波导具有强的局域性能够将光局限在λ2/400～λ2/40的范围内，而且能够实现低损耗、长距离传输(40～150 μm)，通过调节结构参数可以将传输距离增加到毫米量级。要实现高的光数据传输速率需要将光学元件集成化，最近夏幼南小组实现了将多个Ag 纳米线SPPs 波导在聚合物光波导中的集成[69]，这种光波导在一个芯片上能够用同一个聚合物波导将光耦合到多根金属纳米线中，而且通过改变入射光偏振来实现对耦合强度的控制。

除了采用纳米颗粒和纳米线设计SPPs 波导以外，人们还采用多种形状的纳米通道实现SPPs 的传输。

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Y (μm) 0 0.2 0.4 0.6 0.8

Y (μm)

X (μm ) 0 0.5 1 1.5

0.5 1 N o r m a l i z e d I n t e n s i t y

0.5 1 1.5 2 N o r m a l i z e d I n t e n s i t y

(a) (b)

Figure 4. Distribution of the near-field electric intensity of nanowire

for the incident wavelengths of 633 nm (a) and 835 nm (b) 图4. (a)和(b)分别为633 nm 和835 nm 波长光照射下纳

米线近场区的光强分布

Ebbesen 小组采用聚焦离子束(FIB)技术设计了V-型槽

[70]

，Mach-Zehnder 干涉仪和波导环共振器，这些结构

可作为在光通信波长上的通道型传输模式的亚波长SPPs 波导，这种波导具有强的SPPs 局域行为和低的传输损耗。最近Nagpal 等采用刻蚀方法制备不同构型的Si 纳米图案(沟槽型、金字塔型、凸起型和孔型)[71]，以此为模板组装相应形状的表面非常光滑的贵金属纳米结构并获得好方向性和低损耗的SPPs 传输，而且实现器件的集成。

4.2. SPPs 光源

Ebbesen 小组通过采用聚焦离子束铣削方法制备亚波长周期性金属结构设计了SPPs 光源[72]。图5(a)是在Ag 薄膜上做一直径为250 nm 的圆柱小孔，在小孔边缘刻有周期性同心圆沟槽，在出射端加工相同的结构。当光正入射到这些沟槽结构时表面会激发SPPs ，SPPs 通过小孔时产生透射增强效应，在沿小孔方向(0°)透射最强(图5(b))，显示经过出射端口时小孔

(a)

0 5 10 15 20 25 30

Angle (deg)

1.00.80.60.40.2

0.0

I n t e n s i t y (a .u .)

λ = 660 nm

(b)

Figure 5. Pore structure with a periodical groove in an Ag film and the transmission intensity distribution with the collection angles, inset, schematic image of the incident and emergent beams 图5. (a)和(b)分别是小孔结构和相应的透射光强随探测

角度的分布，插图是入射与出射光示意图

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的光具有很好的方向性。

最近Oulton 等在Ag 薄膜衬底上设计了高光学增益的CdS 纳米线[75]，并将Ag 薄膜衬底与CdS 纳米线之间采用5 nm 厚的MgF 2绝缘层分隔，这种混杂结构能够将SPPs 聚焦在金属与电介质界面的很小区域(λ2/400)，这比衍射极限光斑的尺寸小100倍，由于这种SPPs 模式的高度局域性使得激光自发辐射率提高了六倍。朱星小组采用对称性破缺的Au 纳米围栏实现对SPPs 的亚波长单点聚焦，通过改变激发光的偏振行为和对称性破缺程度实现对SPPs 干涉条纹的调制[76]。

4.3. 光存储

最近Zijlstra 等报道了采用Au 纳米棒的SPPs 性

质实现五维光存储[87]。由于Au 纳米棒具有独特的光学和光热特性，窄的纵向表面等离子共振(LSPR)和偶极光学响应能够使得在激光照射区域内的少量纳米棒进行光学寻址，通过光热整形和双光子荧光探测来实现记录和读出。采用非线性双光子荧光探测具有好的角度和波长选择性，而单根纳米棒的散射和双光子荧光淬灭与波长和偏振有紧密的关系，在记录过程中，被选择的纳米棒吸收激光脉冲导致温度上升，对于足够高的激光脉冲能量，被选中的纳米棒的温度被加热到融化阈值以上，这时纳米棒的形状会被转换成短棒或球形颗粒，这会使得某一纵横比和取向的纳米棒数目减少，在荧光淬灭过程中产生了一个偏振影响的漂泊现象。采用Au 作为记录媒介可以将波长、偏振和三个维度同时和在一起形成一个单独的五维存储技术，这种在同一记录体积中存储多个可单个寻址模式的复用存储技术能够大大提高光记录密度，记录密度可达到1 Tbit/cm 3。

5. 基于周期性结构的纳米光子学材料和器件

5.1. 光子晶体

自从Yablonovitch [97]和John [98]各自提出了光子带隙的概念以来，近二十年光子带隙材料一直吸引了人们的关注，最近几年光子晶体仍然是研究热点。具有不同介电常数的介质材料按周期性排列，在其中传播的光波的色散曲线将成为带状结构，带与带之间会出现类似于半导体带隙的光子带隙，频率落在带隙中的光波被严格禁止传播，这种具有光子带隙的周期性电

介质结构称为光子晶体，它可分为一维、二维和三维光子晶体。

光子晶体为光学器件的小型化和集成化创造了史无前例的机遇，这归因于它新的物理特性如抑制和增强光的自发发射，具有低的激光阈值，和量子信息处理等。研究较多的是红外波段的光子晶体[99-103]，可见[104-107]和紫外[108]波段上的光子带隙材料也开始崭露头角。在二维光子晶体的一个重要进展就是采用周期性孔阵列设计光子晶体光纤[109,110]，

与传统光纤相比这种光纤可以实现低的光损耗。最近Noda 小组在芯片上设计了一种二维方形和矩形格子的光子晶体激光器

[111]

，通过改变格子的参数实现对激光共振条件和输出

光束方向的控制，而且通过动力学控制芯片集成化的连续扫描能够使得输出激光的光束在一定方向范围内(相对于入射光方向最大偏离角度可达30?)调制。Tandaechanurat 等报道了在GaAs 基的二维薄层中堆垛三层高密度的InAs 量子点构筑一种三维光子晶体[112]，实现了在三维光子晶体谐振腔中的光子振荡，输出的激光由于量子点耦合谐振腔共振模式而获得了很高的激光品质因子(Q 因子约38500)，这种将激光模式局域在三维光子晶体的完全光子带隙中能强烈地限制光子在谐振腔中并有效地阻止自发光发射。

要实现光子晶体的应用需要解决以下几个问题：一是在光波段构筑完全光子带隙的三维光子晶体；二是将任意缺陷态引入到光子晶体中；三是引入一种有效的光发射元件。制备三维光子晶体的有很多方法，例如熔化粘结和激光束辅助排列技术[102,113]、自组装方法[114-117]、微机械硅加工技术[118]、掠射角淀积技术[119]

和蚀刻技术[101,104,120-122]等。

5.2. 纳米线栅偏振器

光偏振在光隔离、光调制、光开关等光学元件中扮演重要角色。在许多光学元件和光电子元件中，必不可少的是要由偏振器来产生或检验线偏振光。偏振器的偏振性能如何将直接影响到这些元件的性能。随着光学技术的飞速发展，偏振器的微型化和高性能将成为必然趋势，其中线栅偏振器便于实现微型化，它会在将来的光通讯、集成光学、光电探测中有重要的应用前景。

线栅偏振器通常采用蒸发和刻蚀技术设计。Bird 等采用掠入射方法在熟料光栅复型基底上通过蒸发金属来制备线栅偏振器[123]，这种线栅的周期是463

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nm ，它在2～15 μm 的红外波段显示偏振现象。Young 等采用不同衬底材料(如ZnS 和ZnSe)来改进线栅的偏振性能[124]，它适用于6～20 μm 的红外波段。Doumuki 等利用电子束刻蚀技术成功地在SiO 2[125]和GaAs [126]衬底上制备了Al 线栅微偏振器，其中在SiO 2基底上制备的Al 线栅周期为390 nm ，由于s 偏振共振效应而在近红外波长显示了偏振现象。2005年，Wang 等采用纳米印章刻蚀和电子束蒸发相结合的方法制备了高性能纳米线栅偏振器[127]，首先通过纳米印章刻蚀技术构筑电介质(如SiO 2)纳米壁，然后采用电子束蒸发在纳米壁侧面和底部沉积Au 膜形成线栅芯结构，纳米壁宽和高分别为60 nm 和515 nm ，侧面和顶部的Au 膜厚度为24 nm ，光学测量结果显示这种纳米线栅在近红外波段(C 带)消光比可以达到40 dB 而在整个C 带透射率可达97%。最近Lin 等采用刻蚀技术在光纤上制备了一种宽波段范围的Au 线栅偏振器[128]，线栅周期为200 nm ，线栅厚度为100 nm, 在1310 nm 和1550 nm 通信波长的消光比分别达到15.6 dB 和20.5 dB 。

以上都是采用自上而下(Top-down)的方法设计线栅偏振器，其优势是在近红外到中红外波段展示较好的偏振性能，而且在器件连接和光学测量上可操作性强，它的不足是制备过程复杂且技术昂贵，且线尺寸很难达到纳米尺度；相比较而言，采用自下而上(Bottom-up)的方法也可以设计线栅偏振器，这种方法具有成本低、制备过程简单、可控性好、容易实现小型化。

张立德小组报道了采用金属纳米线有序阵列可以设计在可见到近红外波段上的线栅偏振器，对单一尺寸的金属纳米线阵列的光偏振研究表明金属纳米线阵列在该波段显示了较好的偏振性能[129,130]。

张俊喜对金属纳米线阵列产生光偏振的机理进行深入研究，分析结果表明消光比来自于界面Fresnel 反射和金属纳米线的吸收而插入损耗是源于金属纳米线Rayleigh 散射的贡献。采用氧化铝模板技术构筑的金属纳米线阵列可以将线栅周期降低到纳米尺度，因而通过优化尺度参数能够将金属纳米线阵列用于构筑一种新型的线栅偏振器(图6)，我们称之为纳米线栅偏振器，这是国际上最早提出纳米线栅偏振器概念的报道(2004年)[131]。在此基础上，我们系统研究了金属纳米线尺度对偏振性能的调制，结果表明纳米线的直径和间距对消光比和插入损耗具有同步的调制行为[131]

(图7，图8)，随直径增加消光比提高但插入损耗

也增大了，另一方面随间距增加插入损耗降低但消光比也减小了。

将纳米线的直径与间距同时考虑，在此基础上我们发现一个影响偏振性能的重要参数：直径与间距之比[132]。系统研究了这一参数对消光比与插入损耗的影响并进行合理的解释，由此提出基于金属纳米线阵列构筑纳米线栅偏振器的优化设计方案既通过选择适中的直径与间距的比值不变然后减小直径，从而同时获得最高的消光比和最低的插入损耗(图9)。我们设计的基于金属纳米线阵列构筑纳米线栅偏振器的期望值：在光通信的1550 nm 波长消光比为40 dB ，而插入损耗为0.5 dB ，而在大于这一通信波长消光比大于40 dB 而插入损耗小于0.5 dB 。

Figure 6. Schematic image of nanowire grid polarizer designed by

a metal nanowire microarray

图6. 金属纳米线阵列构筑纳米线栅偏振器的结构示意图

Figure 7. The optical loss spectra of the microarrays of copper nanowires with uniform spacing of 130 nm but different diameters of 30 nm, 65 nm, and 100 nm, where, Ls and Lp are the extinction

ratio and the insertion loss, respectively

图7. 相同间距(130 nm)、不同直径(30, 65, 100 nm)的Cu 纳米线阵

列的光学损耗谱，其中L s 为消光比，L p 为插入损耗

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Figure 8. The optical loss spectra of the microarrays of copper nanowires with uniform diameter of 50 nm but different spacing of

70 nm, 100 nm, and 130 nm

图8. 相同直径(50 nm)、不同间距(70 nm, 100 nm, 130 nm)

的Cu 纳米线阵列的光学损耗谱

Figure 9. Diameter evolution of optical loss spectra of the microar-rays of silver nanowires when selecting the ratio of 2a and b of 0.5 图9. 当2a /b 为0.5时不同直径的Ag 纳米线阵列的光学损耗谱

6. 小结与展望

本文综述了纳米光子学材料和器件的研究进展，着重从以下几个方面介绍：一是基于量子限域效应的纳米光子学材料，包括Ⅱ-Ⅵ和Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点，Si 量子点和量子线，以及PbSe 量子线，这些纳米光子学材料显示出强的量子限域效应，具有高的荧光发射效率；二是基于纳米线光发射的材料与器件，包括具有偏振各向异性光发射的InP 纳米线，具有窄的紫外光发射可作为纳米激光器的ZnO 纳米线阵列，采用间接带隙和直接带隙交叉连接构筑紫外到近红外波长的纳米发光二极管(NanoLED)；三是基于SPPs 的光子学材料和器件，包括贵金属纳米颗粒和纳米线SPPs

波导，周期性结构诱导的局域场增强并实现SPPs 聚焦而构筑SPPs 光源，以及由于SPPs 效应实现五维光存储贵金属纳米棒材料等；四是基于周期性结构的纳米光子学材料和器件，包括采用周期性电解质设计的红外、可见甚至到紫外波段的光子晶体，采用金属纳米线阵列设计高性能的纳米线栅偏振器等。纳米光子学的进一步发展面临很多挑战，譬如，发展纳米技术如何实现更小、高效、高稳定性的纳米光子器件，如何实现全光集成化，发展新材料、新原理和新技术如何调控纳米光子学材料和器件的性能并实现性能优化，如何将纳米光子学材料和纳米光子器件的应用加以拓宽，不仅局限在光子学领域而且利用纳米光子学的特点能够有效地应用到环境、能源、生物、医药和健康等领域。

7. 致谢

感谢国家自然科学基金(10804112)和973项目(2007CB936601)的资助。

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nanowires embedded in anodic alumina membrane templates: size dependence of polarization characteristics. Appl. Opt., 2006, 45(2): 297-304.

微纳光子学

微纳光子学主要研究在微纳尺度下光与物质相互作用的规律及其光的产生、传输、调控、探测和传感等方面的应用。微纳光子学亚波长器件能有效提高光子集成度，有望像电子芯片一样把光子器件集成到尺寸很小的单一光芯片上。纳米表面等离子体学是一新兴微纳光子学领域，主要研究金属纳米结构中光与物质的相互作用。它具有尺寸小，速度快和克服传统衍射极限等特点，有望实现电子学和光子学在纳米尺度上的完美联姻，将为新一代的光电技术开创新的平台。金属-介质-金属F-P腔是最基本的纳米等离子体波导结构，具有良好的局域场增强和共振滤波特性，是制作纳米滤波器、波分复用器、光开关、激光器等微纳光器件的基础。但由于纳米等离子体结构中金属腔的固有损耗和能量反射，F-P腔在波分复用器应用中透射效率往往较低，这给实际应用带来不利。最近，科研人员提出了一种提高表面等离子体F-P腔波分复用器透射效率的双腔逆向干涉相消法。该方法能有效避免腔的能量反射，使入射光能完全从通道端口出射，极大增强了透射效率。此设计方法还能有效的抑制噪声光的反馈。同时，科研人员利用耦合模方法验证了这种设计方法的可行性。这种波分复用器相比目前报道的基于F-P单腔共振滤波的波分复用器的透射效率提高了50%以上。相关的成果于2011年6月20日发表在Optics Express上，论文题目为：Enhancement of transmission efficiency of nanoplasmonic wavelength demultiplexer based on channel drop filters and reflection nanocavities。 “新兴光器件及集成技术专题报告会”上发布《纳米光子学对光子技术更新换代的重要作用》精彩演讲。报告摘要;从上世纪70年代开始，光子学进入微光子学阶段，经过40年的研究，现在已经比较成熟。以半导体激光器为重点的研究已经逐渐转向对激光控制问题的研究和激光应用的研究。同时，光子技术已经进入光电子技术阶段，其特点是研究开发以电控光、光电混合的器件和系统。光电子技术已经逐步占领了电子技术原有的阵地。它的应用领域已经扩大到人类社会生活的各方面，如光通信与光网，平板显示、半导体照明、光盘存储、数码相机等。光电子产业迅速发展壮大起来。在经济发达国家，光电子产业的总产值已经可以与电子产业相比，甚至超过电子产业。近十年来，国际学术界开始大力发展纳光子学及其技术，使光电子技术与纳米技术相结合，对现有光电子技术进行升级改造。与国际上科技发达的国家相比，目前我国微纳光子学的研究还不算落后，这从我国在微纳光子学领域发表的论文数量和投稿的杂志级别就可看出。但是我国的光子学研究论文大部分是理论方面的，大多数是跟踪国外的。由于国内缺乏先进的科学实验平台，特别是缺乏制备微纳光子学材料和器件的工艺条件，实验方面的论文比较少（除了少数与国外合作研究的论文），创新的思想无法得到实验验证。微光子学方面的情况尚且如此，在纳光子学方面，由于对仪器、设备、工艺和技术的要求更高，与国外的差距正在加大。在光电子技术方面，由于国际经济的全球化和我国的改革开放形势，吸引跨国公司将制造、加工基地向我国转移。21世纪初光电子企业的大公司纷纷落户我国。而且大量资金投向我国沿海经济发达地区（如广东、上海和京津地区），建立起一大批中外合资或独资企业。但是这些外国企业或技术人员，控制着产业的高端技术，对我国实行技术垄断，使我国的光电子技术至今还处于“下游”，成为外向加工企业。大多数光电子企业采用这样的生产模式：购买国外的芯片进行器件封装，或者购买国外的器件进行系统组装。目前我国光电子企业严重缺乏核心技术和自主知识产权，无法抵御国际经济危机，面临着很大的风险。为了加快我国的微纳光子学与相关光子技术的发展，我国应该集中投入一部分资金，凝聚一批高水平研究人才，在某些光电子企业集中的地区，依托光子学研究有实力的单位，采用先进的管理模式，建设我

纳米材料的特性及相关应用

纳米材料的研究属于一种微观上的研究，纳米是一个十分小的尺度，而一些物质在纳米级别这个尺度，往往会表现出不同的特性。纳米技术就是对此类特性进行研究、控制。那么，关于纳米材料的特性及相关应用有哪些呢？下面就来为大家例举介绍一下。一、纳米材料的特性当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来获得不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望获得新的用途。我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以获得带隙和发光性质不同的材料。也就是说，通过纳米技术获得了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千㎡，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体

积，使其更轻盈。如现在小型化了的计算机。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。二、纳米材料的相关应用 1、纳米磁性材料在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。 2、纳米陶瓷材料传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使

物理学院2011级研究生光电子学与光子学原理及应用考题

物理学院2011级光学专业研究生《光电子学与光子学原理及应用》考题 1．简答题 1.1 受抑全内反射有什么特点？ (5分) 1.2 解释下图中的现象。(5分) 1.3 本征半导体、n 型半导体和p 型半导体的Fermi 能级以什么特点？? (5分) 1.4 下图是一个LD 的输出谱，解释三个谱变化的物理含义。 (5分) 1.5 下面的雪崩光电二极管中有什么特点？吸收和倍增发生在什么区域? (5分) 2．计算题 2.1 假设一个光源辐射的频率谱有一个中心频率ν0和谱宽?ν。以波长来衡量，这个频率谱有一个中心波长λ0和谱宽?λ。显然，λ0 = c/ν0。因为?λ << λ0、?ν << ν0，利用λ = c/ν，证明：谱宽?λ和相干长度l c 满足： c 2000λννλνλ?=?=?，λλ?=?=20t c l c

对于He-Ne 激光器，λ0 = 632.8nm ，?ν ≈1.5GHz ，计算?λ。(15分) 2.2 一个介质平板波导中间薄层是一个厚度为0.2μm 的GaAs ，它夹在两个AlGaAs 层之间。GaAs 和AlGaAs 的折射率分别为 3.66和3.40。假设折射率随波长变化不是很大。截止波长是多少？(大于截止波长时波导中只能传播单模)。如果波长为870nm 的辐射(对应于带隙辐射)在GaAs 层传播，消逝波向AlGaAs 层的贯穿深度是多少？这个辐射的模场直径是多少？(15分) 2.3 内量子效率ηint 给出在正向偏置下电子空穴复合中辐射复合并引起光子发射的比例。非辐射跃迁中，电子和空穴通过复合中心复合并发射声子。由定义， nr r r int 111)(τττη+=+=非辐射复合速率辐射复合速率总复合速率辐射复合速率 τr 是少数载流子在辐射复合前的平均寿命，τnr 是少数载流子通过复合中心复合前的平均寿命。总电流I 是由总复合速率决定的，而每秒发射的光子数(Φph )是由辐射复合速率决定的。所以，内量子效率ηint 又可以写为： e I h P e I //op(int)ph int νη=Φ==每秒损失的总载流子每秒发射的光子其中，P op(int)是内部产生的光功率(还没有出腔外)。对一个在850nm 发射的特定的AlGaAs LED ，τr =50ns ，τnr =100ns 。在100mA 的电流下，内部产生的光功率是多少？(15分) 2.4 一个InGaAsP-InP 激光二极管的光学腔长为200μm ，峰值辐射在1550nm 处，InGaAsP 的折射率为4。假设光学增益带宽不依赖于泵浦电流并取为2nm 。问：（1）对应于峰值辐射的模数是多少？（2）腔模之间的间隔是多少？（3）在这个腔中有多少模式？（4）这个光学腔两端（InGaAsP 的晶面）的反射系数和反射率是多少？(15分) 2.5 一个商用的InGaAs pin 光电二极管的响应度曲线如下图。它的暗电流为5nA 。 (1) 在1.55μm 波长下，导致二倍暗电流的光电流的光功率是多少？在1.55μm 处，光电探测器的量子效率是多少？ (2) 在1.3μm 波长下，如果入射光功率相同，光电流是多少？在1.3μm 处，光电探测器的量子效率是多少？ (15分)

分会场十三微纳米光子学

分会场十三：微纳米光子学主席：吴一辉（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）李铁（中国科学院上海微系统与信息技术研究所）特邀报告1：半导体太赫兹光频梳黎华，中国科学院上海微系统与信息技术研究所，博士生导师，研究员。2009年博士毕业于中国科学院上海微系统与信息技术研究所，然后分别在德国慕尼黑工业大学、日本东京大学、法国巴黎七大材料与量子现象实验室开展博士后研究工作，2015年回国工作，2016年获得中国科学院“百人计划”A类择优支持。主要研究方向为太赫兹量子级联激光器及其光频梳、锁模激光器、太赫兹成像及高分辨光谱技术等。在Advanced Science、Optica、Applied Physics Letters、Optics Express等期刊上发表50余篇论文，曾获“2015中国中国电子学会优秀科技工作者”，“上海市自然科学二等奖”（排名第三）、德国“洪堡”学者奖学金、日本JSPS奖学金等。担任科技部973计划课题负责人、国家自然科学基金面上项目（2项）负责人、KJW 项目（2项）负责人等。报告摘要：太赫兹（THz）波（频率范围：0.1-10 THz; 1 THz=1012 Hz）位于红外光和微波之间，在国防安全、生物医疗、空间等领域具有潜在应用。由于缺乏高效THz辐射源和探测器，THz波还没有被完全认知，所以其被称为THz间隙（“terahertz gap”）。在1-5 THz 频率范围内，基于半导体电泵浦的光子学器件THz量子级联激光器（quantum cascade laser, QCL）在输出功率和效率方面比电子学和差频器件高，是关键的THz辐射源器件。本报告主要介绍我们在高性能THz核心器件以及半导体光频梳方面的研究进展。在高性能核心器件方面，我们突破分子束外延生长和半导体工艺技术，研制出高功率（1.2 W）、低发散角（2.4°）、宽频率范围THz QCL器件并实现THz高速探测和多色成像。基于高性能半导体THz QCL器件，成功实现THz QCL光频梳以及双光梳。克服传统THz光谱仪在测量时间和光谱分辨率方面的缺陷，开发出基于THz QCL双光梳的紧凑型高分辨实时光谱检测系统，为将来实现新一代THz光谱仪奠定基础。

国际光学与光子学会SPIE简介

国际光学与光子学会SPIE简介 SPIE成立于1955年，致力于推动以光为基础的技术，服务了超过170个国家。SPIE 每年组织或赞助近25个大型技术论坛、展览以及培训项目，范围遍及北美、欧洲、亚洲及澳洲。 1957年，出版了第一期SPIE报刊，举办了第一届国家技术研讨会。 1960年，SPIE报刊刊登了第一组技术论文。 1963年，SPIE举办了第一届研讨班形式的会议并出版了第一批会议记录。 1973年，总部从Redondo Beach迁往加州的Palos V erdes。 1975年，协会收入达到50万美元，实现了财政自给。 1977年，成立了协会金牌奖。总部迁往华盛顿Bellingham。 1995年，举办了成立40周年庆典。合作赞助了在西安举办的国际传感器应用与电子器件展览会。 2000年，SPIE会员Zhores I. Alferov因在半导体异质结构和高速光电子学方面的贡献获得诺物理学奖。 2003年，SPIE数字图书馆启动，提供了期刊和会议纪要的七万篇文献。现在的光学和光电子学大都围绕信息光学展开研究。在集成光信息处理方面，有光计算、光学互连、衍射光学等前沿领域；在成像方面，较热门的技术有光学计算机断层成像和三维共焦成像系统；在光学传感器方面，人们越来越关注三维传感技术；新一代的全息术和光学信息处理技术也亟待开发。同时，信息光学的材料和装置也成为了热门领域。更加偏向应用领域的还有人机接口与显示技术。当然还有很多基础理论问题，如非线性光学、超快光学现象、散射、位相共轭等。 Statement of Purpose SPIE is an international society advancing an interdisciplinary approach to the science and application of light. About the Society SPIE is the international society for optics and photonics founded in 1955 to advance light-based technologies. Serving approximately 180,000 constituents from more than 170 countries, the Society advances emerging technologies through interdisciplinary information exchange, continuing education, publications, patent precedent, and career and professional growth. SPIE annually organizes and sponsors approximately 25 major technical forums, exhibitions, and education programs in North America, Europe, Asia, and the South Pacific. In 2010, the Society provided more than $2.3 million in support of scholarships, grants, and other education programs around the world.

纳米光子学综述

关于《纳米光子学》的基本介绍关键词：序言纳米光子学，被定义为纳米技术和光子学的融合学科，是一个新兴的前沿学科。它为基础研究提供了挑战，也为新技术提供了机遇。纳米光子学在市场上已经取得了一定的影响。它是一个多学科交叉的研究领域，为物理学，化学，应用科学，工程学和生物学，以及生物医学技术创造了机遇。对于不同的人而言，纳米光子学的意义有所不同，在各自的情况下，纳米光子学的定义都显得非常地狭隘片面。一些书籍和综述里包含了纳米光子学的多个方面以供选择。然而，随着时代的发展，有必要出一本关于纳米光子学的专著来提供一个统一综合的体系。本书迎合了这个需要，就纳米光子学提供了统一的，全方位的描述，以满足各个不同学科读者的需要。本书的目的是为这个涉及面广泛的学科提供必要基础知识，以使各个学科的学者都能迅速掌握最低限度的，必要的知识背景用以研究和发展纳米光子学。作者希望本书既能够作为教育与培训的教科书，也可以作为帮助集光学，光子学和纳米技术于一身的领域研究和发展所需要的参考书。本书的另一个目的是引起研究人员，产业部门和企业促进合作的兴趣，在这个新兴科学上，能够制定出多学科交叉的工程，促使随之产生的技术能够发展和转化。本书包含了集纳米技术，光子学和生物学于一体的理论知识和各种应用。每章开头的引言介绍了读者能从该章获取的知识。每章结尾的知识要点是需要深刻理解的知识，也可以作为前面所陈述内容的回顾。纳米光子学—纳米技术领域的研究热点纳米光子学是一个激动人心的崭新的前沿领域，在这里全世界的研究者们尽情发挥着他们的想象力和创造力。它在纳米范围内处理光与物质的相互作用。纳米光子学作为纳米科技新的分支，向基础研究提出了挑战，并为新技术的诞生创造了机遇。人们对纳米科学方面的兴趣来自于已经实现了的费曼的著名言论——“在底层还有很多的空间”（Feyman,1961,“There’s Plenty of Room at the Bottom”）。他指出如果能将一毫米的长度在十亿分之一米的纳米范围内进行分割，可以想象将会有多少片段和组分可进行操控和处理。我们生活在一个“纳米热”的时代。纳米方面的一切都被认为是极其令人振奋和有价值的。许多国家已经对纳米技术展开积极的研究。2002年，美国国家研究委员会出版了关于美国国家纳米技术计划的详细报告（NRC Report，2002）。虽然不能断言纳米技术对每个问题都能提供一个较好的解决方法，但纳米光子学仍然创造出足以令人振奋的机会并使新技术成为可能，关键的因素是纳米光子学是在一个比光波长还要短的范围内处理光与物质的相互作用，以及它们的应用。撰写本书的目的是想通过对纳米光子学的介绍激发起更多人对这个新领域的兴趣。为了方便起见，书中列举的例子尽可能出自我们研究所开展的激光，光

清华大学电子工程系学科方向

电子工程系学科设置? 通信与信息系统信号与信息处理电磁场与微波技术? 物理电子学电路与系统电子工程系教学工作? 年本科开课目录? 年研究生课程目录? 各研究所教研室介绍信息光电子研究所? 一、情况介绍和研究方向二、年在研的科研项目? 三、课题组介绍（) 通信与微波研究所? 一、情况介绍和研究方向二、年在研的科研项目? 三、课题组介绍（) 通信技术方向电磁场与微波技术方向? 高速信号处理与网络传输研究所一、情况介绍和研究方向二、年在研的科研项目网络与人机语音通信研究所? 一、情况介绍和研究方向? 二、年在研的科研项目三、研究方向(）? 图象图形研究所一、情况介绍和研究方向二、年在研的科研项目

三、联系方式? 电路与系统教研室一、情况介绍和研究方向? 二、年在研的科研项目? 三、研究方向()

电子工程系学科设置专业设置本科生专业： ?电子信息科学类研究生专业：一级学科???二级学科电子科学与技术???物理电子学 ????电路与系统 ??????微电子学与固体电子学 ??????电磁场与微波技术信息与通信工程??通信与信息系统 ??????信号与信息处理 ????电子与通信工程（工硕）通信与信息系统学科方向：通信与信息系统研究课题:、信息传输与接入、数字信号处理与终端技术、无线通信技术与系统、通信网络与交换技术、通信与信息系统的仿真与集成依托国家重点实验室及相关学术领域：微波与数字通信国家重点实验室、集成光电子学国家重点实验室系内:微波与天线、信息光电子与光电子学、电路与系统、信号与信息处理跨系、所:微电子学研究所、计算机科学与技术系、自动化系、电机工程与应用电子技术系、工程力学系、材料科学与工程系

纳米材料新进展及应用

纳米材料应用的新进展来源：全球电源网世界上已经研制成功四种贮氢合金材料：即稀土镧镍系、铁一钛系、镁系以及钒、铌、锆等多元素系合金材料。但它们全都是非纳米材料。最近几年世界各国在大力开发纳米贮氢电极材料，一系列纳米贮氢材料不断问世。它们的进展为更好利用氢能带来了福音。目前开发的主要材料系列有镁镍合金、碳纳米管和纳米铁钛合金。三种纳米材料的开发已经形成热潮。美洲和欧洲国家开发工作最集中的是镍金属氢化物电池用的镁镍合金和碳纳米管，其次是燃料电池用的铁钛合金及碳纳米管。包括中国在内的亚洲国家开发纳米镁镍合金主要是针对镍金属氢化物电池的应用，开发纳米铁钛合金及碳纳米管主要是针对燃料电池的应用。在开发金属氢化物储氢方面，过去的主要问题是贮氢量低，成本高及释氢温度高。现在在开发纳米储氢材料过程中这些问题仍是值得注意的问题。本文介绍目前科研人员针对上述问题开发纳米储氢材料方面的进展。1 镁镍合金开发继续升温镁系贮氢合金是最具开发前途的贮氢材料之一，所以目前开发最热的是镁镍合金。镁镍合金成本低，其贮氢质量高，若以CD ( H )代表合金贮氢的质量分数，理论上纯镁的质量分数为7.6% ，而稀土LaNi5 的只有1.4% ，钛系TiFe 只为1.9%。这就是形成镁系合金开发热潮的原因。以前主要使用熔铸法和快速凝固法生产镁合金。能够体现出高技术的发展水平是现在的机械研磨技术。也就是先在600 C以上使镁与镍形成合金，经过检测确定是Mg2Ni合金以后，然后进行机械研磨。目前普遍用机械研磨法生产多元纳米贮氢合金、纳米复合贮氢合金。新型纳米镁镍合金同稀土系、钛系和锆系贮氢材料相比具有许多优点。镁系合金中最典型的是Mg2Ni 合金。其氢化物Mg2NiH4 合金贮氢量为3.6%。1.1 代换镁的金属呈增加趋势国内外制备传统镁系合金采取的措施是添加铝、铁、钴、铬、钒、锰、铜、钛及镧等元素来替换镁，使其形成多元镁镍合金。第二种是将纯镁粉与低稳定性的贮氢合金复合。第三种是把镁系合金与别的合金混合制成复合贮氢材料。最后就是将负极浸入铜、镍-硼或镍-磷等镀液里，使镀上一层金属膜，镀

纳米光子学1-余

1表面等离子激元（SPPs）：定义：是在金属表面区域的一种自由电子和光子相互作用的形成的电磁模。性质：1.在垂直于界面的方向场强呈指数衰减；2.能够突破衍射极限；3.具有很强的局域场增强效应；4.只能发生在介电参数（实部）符号相反（即金属和介质）的界面两侧。激发方式：(1)波导结构：利用波导边界处的倏逝波激发表面等离子体波，使波导中的光场能量耦合到表面等离子体波中。在实际的研究中，常采用光纤做波导，剥去光纤某段的包层，再镀上金属；(2)棱镜耦合：包括两种，一种是Kretschmann 结构，另一种是Otto 结构。Kretschmann 结构适用于金属薄膜，入射光以大于全反射角的角度入射，利用棱镜的高折射率进行波矢补偿，类似于油浸透镜的原理。2sin spp p k n p q l =；对于较厚的金属膜，Otto 结构比较适合。在该结构中，虽然全反射棱镜和金属膜之间有很小的空气间隙(近场区域)，仍可在金属和空气间隙的界面上激发SPPs。(3)光栅耦合：利用光栅引入一个额外的波矢量的增量实现波矢量的匹配。(4)近场耦合：对于粗糙表面，不需要任何额外的结构设计，表面粗糙的衍射效应就可以提供在金属膜表面激发SPPs 所需的波矢补偿即直接的光照射便激发SPPs。(5)NSOM 激发：用一个尺寸小于波长的探针尖在近场范围内去照射金属表面，由于探针尖尺寸很小，从探针尖出来的光会包含波矢量大于SPPs 矢量的分量，这样就能够实现波矢量的匹配。(6)采用强聚焦光束，利用高数值孔径的显微目镜可直接接触到介质层，在介质层与目镜之间涂上匹配油层，高数值孔径能够提供足够大的入射角，实现波矢量匹配，从而激发出表面等离子体波。 2金属电介质界面表面等离子色散关系的物理意义： 1/2m d m d c εεωβεε??=??+??,β为传播常数。m ε表示金属或者半导体介质相对介电常数；d ε表示电介质相对介电常数。其实部和虚部为：1/2d mr r d mr c εεωβεε??=??+??，3/222()mi d mr i mr d mr c εεεωβεεε??=??+?? 物理意义：等离子体中存在的波的频率和波矢之间的关系需满足色散关系，而色散关系完全确定给定条件下等离子体中可能存在的波的全部性质。SPP 色散关系可以完全描述SPP 的光特性，是进行SPP 相关研究的基本理论基础。 3任选一种表面等离子激元应用，简述原理。表面等离子传感器（图）偏振光入射到金属薄膜上，经聚焦若入射角度满足()()2121arcsin εωωεωωθ+=，产生SP 激发，SP 与n 有敏感的关系，下面是流体通道，内放有特殊物质，从而折射率n 变化，即θ也变化，角度的变化反应n 变化，从而确定生物组织是否变化。 4光子晶体的基本概念（带隙成因与电子材料的区别）概念：是一种介电常数周期性调制的微结构材料，尺度为波长量级，具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构，是1987年美国贝尔研究中心的Eyablono witch 和普林斯的S.John 分别独立提出了光子晶作的概念。光子带隙：在一定频率范围内的光子在光子晶体的范围内的某些方向上是禁止传播的。完全带隙，在一定频率范围内，任何偏振与传播方向的电磁波都被严格禁止，这种情况只有在三维晶体中才能实现。光子晶体特性：①抑制自发辐射：带隙中密度力零，自发辐射几乎为零，这也抑制了自发辐射②光子局域化，光子晶体原有的对称性遭到破坏时，即有了缺陷，在光子晶体中禁带就可能出现频宽极窄的缺陷态或域态。与缺陷频率符合的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传播。与半导体的区别：半导体：原子周期性排列，原子尺度自然结构，控制电流。1950年电子技术革命。光子晶体：介电常数周期性变化，尺度波长量级，人工结构，控制电磁波传播，现在光学新领域。与电子材料的区别：①电子和光子具有不同波，可见光400－700nm，电子0.1nm②电子系统遵循薛定谔方程???E )r (V u 2h 22=+??，光子系统依照亥姆霍兹方程()()0E r c E E 22=????+??εω③带隙成因不同：电子在周期场中传播时由于会受到周期势场的布拉格散射会形成能带结绝，带与带之间可能存在带隙，电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的，电磁波在周期性介质材料中传播时，由于受到调制而形成光子能带结构，频率落在带隙内的电磁波不能通过介质，而被全部反射，即形成光子带隙。（图）自然界的光子晶体：蛋白石：一种天然宝石，以乳白色居多，不同角度观赏呈不周颜色，具有七彩缤纷的外观。成因：含SiO2地下水渗入岩缝沉积形成，沉积1CM3的蛋白石约需10000年。应用：已有多种基于光子晶体的全新光子学器被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路。高晶质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体近期在国际上的应用进一步深化，具体表现在：1、与纳米技术结合，用于制造微米级的激光硅基。2、与量子点结合，使得原子和光子的相互作用影响材的性质，从而达到减小吸收等作用。3、光子晶体的光纤应用。 5微腔的品质因子，精细度，自由电子谱宽度。光学微腔是一种尺寸在微米量级或者亚微米量级的光学谐振腔。它利用在折射率不连续的界面上的反射全反射散射或衍射效应，至少在一个方面将光限制在一个很小的区域。最简单模型：（C－J 2模型，即单膜场与二原子能级作用，可给出解析解） )a a a (g a a W 2 W H R d ++++++?=σσ理想腔：无损振荡—Rabi 实际：Dumped 振荡。三种典型的微腔：1、F－P 腔：Q 不高，模式体积大。2、回单壁模式微腔：轴对称，内反射对光控制，Q 很高，容易集成。3、光子晶体微腔：引入缺陷，Q 高，模式体积小。（画图，公式）

光电子学与光子学讲义-作业答案(第1、2章)13版.doc

第一章 1.10 Refractive index (a) Consider light of free-space wavelength 1300 nm traveling in pure silica medium. Calculate the phase velocity and group velocity of light in this medium. Is the group velocity ever greater than the phase velocity? (b) What is the Brewster angle(the polarization angle qp) and the critical angle(qc) for total internal reflection when the light wave traveling in this silica medium is incident on a silica/air interface. What happens at the polarization angle? (c) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when the light beam traveling in the silica medium is incident on a silica/air interface? (d) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when a light beam traveling in air is incident on an air/silica interface? How do these compare with part (c) and what is your conclusion? 1.18 Reflection at glass-glass and air-glass interface A ray of light that is traveling in a glass medium of refractive index n1=1.460 becomes incident on a less dense glassmedium of refractive index n2=1.430. Suppose that the free space wavelength of the light ray is 850 nm. (a) What should the minimum incidence angle for TIR be? (b) What is the phase change in the reflected wave when the angle of incidence qi =85 ° and when qi =90° ? (c) What is the penetration depth of the evanescent wave into medium 2 when qi =85 ° and when qi =90° ? (d) What is the reflection coefficient and reflection at normal incidence (qi =0 ° )when the light beam traveling in the glass medium (n=1.460) is incident on a glass-air interface? (e) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when a light beam traveling in air is incident on an air/-glass interface (n=1.460)? How do these compare with part (d) and what is your conclusion? 1.20 TIR and polarization at water-air interface

纳米材料及其应用前景

纳米材料及其应用前景摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。关键词：纳米材料；功能；应用；一、纳米材料的基本特性所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。

光子学与光电子学原荣邱琪习题题解

《光子学与光电子学》习题及题解原荣邱琪编著第1章概述和理论基础 1-10 计算每个脉冲包含的光载波数考虑工作在1 550 nm 波长的10 Gb/s RZ 数字系统，计算每个脉冲有多少个光载波振荡？解：已知λ = 1.550 μm ，所以光频是Hz 101.93514×==λc f ，光波的周期是 1T f ==5.168×10?15 s 。已知数字速率是10 Gb/s RZ 码，所以脉冲宽度是T = 1/(10×109) = 10?10 s ，所以在该脉冲宽度内的光周期数是 19349015.168/101510ele =×==??T T N 1-11 计算LD 光的相干长度和相干时间单纵模LD 的发射波长是1550 nm ，频谱宽度是0.02 nm ，计算它发射光的相干时间和相干长度。解：由题可知，λ = 1550×10?9 m ，Δλ = 0.02 × 10?9 m ，从式（3.1.18）可知 ()()Hz 102.5100155/1031020.0/929 892×=××××=Δ=Δ??λλc v 于是，相干时间是 019104)102.5/(1/1?×=×=Δ≈Δv t s 或者 0.4 ns 相干长度是 12.010*******c =×××=Δ=?t c l m 或者 12 cm 与LED 相比（见例1.3.4），LD 的相干长度是LED 的6.3×103倍。

第2章光波在光纤波导中的传输 2-14 平面电介质波导中的模数平面电介质波导宽为100 μm ，，490.11=n 084.12=n ，使用式（2.2.6）估算波长为1.55 μm 的自由空间光入射进该波导时，它能够支持的模数。并把你的估算与下面的取整公式进行比较 1π2Int +?? ????=V M 解：全反射的相位变化不能够大于π，所以φ /π 小于1。对于多模波导，φ>>V ，式（2.2.6） ()π2π2V V m ≈?≤φ。利用已知的参数和式（2.2.7），可以计算V 值如下： ()()21.3648.149.1105.11050π2π212 266212221=?×××=?=??n n a V λ 此时()06.23π/21.362π2=×=≤V m ，把0=m 模算上，就有24个模。利用取整公式可以算出该波导能够支持的模数()()23136.212Int 1π2Int =+×=+=V M 。该题和例2.2.1比较，因为074.12=n 变为084.12=n ，波长由1.0 μm 变为1.5 μm ，所以波导能够支持的模数也减少了。 2-15 计算保证只有一个TE 模工作的AlGaAs 对称平板波导的最大中心厚度已知自由空间波长λ = 0.85 μm ，计算保证只有一个TE 模工作的AlGaAs 对称平板波导的最大中心厚度。波导参数为n 1 = 3.6，n 2 = 3.55。解：由式（2.2.9）可得到最大平板厚度为 μm 711.055.36.3258.02222221c =?=?=n n d λ 2-16 数值孔径计算接收机PIN 光电二极管的光敏面是2 mm ，使用1cm 的透镜聚焦，透镜和PIN 管之间为空气，计算接收机的数值孔径。解：因为n 0 = 1，光敏面d = 1 mm ，透镜焦距f = 10 mm ，d /2f <<1, 所以sin α≈ tan αmax max ，由式（2.3.5）可得到 NA = sin αmax ≈ tan αmax = d /2f = 0.05 对应的最大接收角αmax 为2.87o （见图2.2.6），总接收角为2αmax = 5.74o 。 2-17 平板波导的数值孔径和接收角计算有一个对称的AlGaAs 平板波导，已知中心介质n 1 = 3.6，与其相邻的介质n 2 = n 3 =3.55，

光电子学与光子学讲义-知识要点资料

光电子学与光子学讲义-知识要点

1．了解光波导的结构特征和分类，理解平面波导导模形成条件，会利用一种方法推导平面介质波导的导波条件（特征方程），截止状态的特点 2．理解光纤色散的概念，掌握材料色散、波导色散、颜色色散、剖面色散、偏振模色散的特点及形成原因 3．了解阶跃折射率光纤的分析方法及相关参数的物理意义，会利用V参数计算光纤的结构参数 4．掌握光纤中的损耗的成因及分类，掌握损耗的描述和计算。 5．了解G.651、G.652、G.653、G.654、G.655、色散补偿光纤的特点,熟悉G.652的主要参数。第三章 1．了解pn结的空间电荷区的形成、掌握pn结动态热平衡的物理意义。 2．了解pn结外加正向偏压和外加反向偏压时的特性（空间电荷区、势垒以及载流子的变化规律）。 3．掌握LED的工作原理（即pn结注入发光的基本原理）并理解同质结LED 和异质结LED的区别 4．掌握LED的内量子效率与外量子效率的物理意义，和有源区半导体材料带隙宽度与发射波长的关系，以及温度等因素对发射波长的影响 5．理解LED特性参数（光谱宽度，发散角，输出光功率，调制速度，阈值）的物理意义，了解LED结构的特点。 6．理解双异质结实现高亮度LED的原因。第四章

光电子学与光子学讲义-知识要点

《光电子学》知识要点第0章光的本性,波粒二像性, 光子的特性第一章 1．了解平面波的表示形式及性质，了解球面波、发散波的特点 2．理解群速度的定义及物理意义和光波波前的传播方向的矢量表示、能量的传播方向的矢量表示 3．理解描述反射和折射的菲涅尔公式的物理意义，掌握垂直入射情况下的反射率和透射率的计算公式和布儒斯特角 4．理解全反射情况下导引波和倏逝波的形成和特点，了解古斯-汉森位移。5．掌握垂直入射时反射系数的公式，理解反射率和透射率定义，不会计算6．掌握布儒斯特角的定义和特点。 7．掌握光波相干条件。理解薄膜干涉的物理机制和增透膜、增反膜的形成条件。8．FP腔的特点和模式谱宽同反射镜反射率之间的关系。 9．了解衍射现象产生条件，理解波动光学处理光的衍射的基本方法。了解单缝、矩形空、圆孔的衍射图案特征和弗朗和费多缝光栅、衍射光栅、闪耀光栅的特点。10．理解光学系统的分辨本领的决定因素。什么是瑞利判据？理想光学系统所能分辨的角距离公式。第二章 1．了解光波导的结构特征和分类，理解平面波导导模形成条件，会利用一种方法推导平面介质波导的导波条件（特征方程），截止状态的特点 2．理解光纤色散的概念，掌握材料色散、波导色散、颜色色散、剖面色散、偏振模色散的特点及形成原因 3．了解阶跃折射率光纤的分析方法及相关参数的物理意义，会利用V参数计算光纤的结构参数 4．掌握光纤中的损耗的成因及分类，掌握损耗的描述和计算。 5．了解G.651、G.652、G.653、G.654、G.655、色散补偿光纤的特点,熟悉G.652的主要参数。

第三章 1．了解pn结的空间电荷区的形成、掌握pn结动态热平衡的物理意义。 2．了解pn结外加正向偏压和外加反向偏压时的特性（空间电荷区、势垒以及载流子的变化规律）。 3．掌握LED的工作原理（即pn结注入发光的基本原理）并理解同质结LED和异质结LED的区别 4．掌握LED的内量子效率与外量子效率的物理意义，和有源区半导体材料带隙宽度与发射波长的关系，以及温度等因素对发射波长的影响 5．理解LED特性参数（光谱宽度，发散角，输出光功率，调制速度，阈值）的物理意义，了解LED结构的特点。 6．理解双异质结实现高亮度LED的原因。第四章 1．了解自发辐射、受激吸收和受激辐射概念、激光产生的条件和模式的概念，熟悉光学谐振腔的功能和特点。 2．理解半导体激光器粒子数反转的条件，和实现方法。 3．掌握PN结激光器的激射原理、稳态激射条件和特征，阈值状态的定义和特征。 4．理解半导体激光器的主要性能参数，掌握计算阈值电流、功率转换效率、斜效率、外量子效率和外差分量子效率、空间模式、光束发散角、纵模、线宽的物理意义 5．边发射半导体激光器发射光束存在的缺陷。 6．实现半导体激光器单纵模工作可采用哪几种方法？ 7．降低半导体激光器阈值电流的两种方法。 8．掌握宽接触半导体激光器和条形激光器、增益导引(gain guided)激光器与折射率导引（index guided）激光器掌握增益导引(gain guided)激光器与折射率导引（index guided）激光器结构上的差别，折射率导引激光器的优点 9．了解DFB、DBR单模半导体激光器在结构上的特点。

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