纳米光子学

纳米光子学

陈福栋 2015207311 教学523班

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。”

纳米光子学包括三方面：纳米尺度上限制物质，纳米尺度上限制波的辐射，纳米尺度上的光学加工。一是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。

二是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。

纳米光子学的主要优点是它能在局域电磁相互作用的基础上实现许多全新的功能.在纳米光子学中，传统的干涉、衍射的概念不再适用，取而代之的是一些全新的概念。量子理论证明，通过一定的布局，纳米开关的实现是完全可行的。在近场条件下，单元器件的大小为几十纳米数量级，相应能量传输所需的时间是几十皮喵，这些参数指标对比于目前的电子集成技术来说无疑是个飞跃。自1999年以来,基于表面等离子体激元，近场光学的纳米光子器件集成技术得到了飞速的发展。日、美、法、德等发达国家先后投入了巨大人力、财力来研究该前沿课题，以实现21世纪信息时代的“3T目标”(传输速度达到1Tbit/s;计算速度达到1Tbit/s;存储密度达到1Tbit/in2)。

纳米光子学中一个重要的范畴是光存储。Zijlstra等报道了采用Au纳米棒的SPPs性质实现五维光存储。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1Tbit/cm3。

此外，就光子晶体来讲，自从Yablonovitch和John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。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，可见和紫外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，与传统光纤相比这种光纤可以实现低的光损耗。

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、自组装方法、微机械硅加工技术、掠射角淀积技术和蚀刻技术等。

然而，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，不再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，发展交叉学科，扩大应用范围。如此这些，成为当今所有研究者正在面临并急需解决的问题。