物理讲义纳米光子学

1、纳米光子学技术物理拓展与应用-第四讲提纲近场光学的发展等离子激元技术介绍纳米光子学应用研究展望3近场光学技术的提出光学技术面临的挑战光学成像：更高的分辨率光学存储：更小的记录点光谱探测：更精细的结构光学操纵：更细小的微粒问题传统光学衍射极限的存在限制了分辨率的提高解决方案近场光学突破衍射极限4探测模式近场探测探测物体与被探测物体之间的距离小于观测波长照明物体或探测物体的尺度小于观测波长近场探测声波300m分辨率10cm/1000照明模式5基本概念表面等离激元(SPP)yzyE 介质0 金属() |Ez| 介质0 金属() Nature 424, 824 (2003).表面等离激元(Surfac

2、e Plasmon Polariton, SPP) 表面等离激元是一种在金属-介质界面上激发的耦合了电荷密度起伏的电磁振荡，具有近场增强、表面受限、短波长等特性。 SPP色散关系表达式根据麦克斯韦方程变换消去D：由于表面波场集中于界面，沿法线方向指数衰减，可试探解为：代入上方程，利用E的梯度关系，可得：SPP的存在条件衰减常数：磁场强度：根据边界条件SPPs are Transverse-Magnetic (TM) waves (p-polarization) s real part have opposite sign with s, i.e. s real part 0. SPPs are

3、 “slow” waves with 8SPP的激发空气中的光子：空气与金属界面的SPP：棱镜中的光子：kSPPp衰减全内反射 (Attenuated Total Reflection, ATR )9SPP的激发光栅衍射激发散射体散射激发10衍射光学结构APL 91, 093111 (2007)APL 85, 642 (2004)Opt. Exp. 13, 6815 (2005)空间传播光束控制平面内传播光束控制近场光场控制利用SPP特性控制光束周期结构Science 297, 820 (2002)APL 90, 51113 (2007)12带、槽结构PRB 68, 115401 (2003)

4、Nature 440, 508 (2006)量子点结构Nano Lett. 5, 1399 (2005)60Adv. Mater. 13, 1501 (2001)周期结构Nano Lett. 7, 2784 (2007)衍射光学结构APL 86, 111110 (2005)空间传播光束控制平面内传播光束控制近场光场控制Nature Phys. 3, 324 (2007)J. Microsc. 210, 324 (2003)表面等离子晶体结构PRB 73, 155416 (2006)利用SPP特性控制光束13空间传播光束控制平面内传播光束控制近场光场控制周期结构APL 83, 836 (2003

5、)Nano Lett. 4, 1085 (2004)SPIE. 6987, 698705 (2008)表面等离子晶体结构Opt. Exp. 13, 7021 (2005)To be submitted利用SPP特性控制光束莫尔时代信息技术的挑战对数据的传输和处理强烈需求，驱动硅基电子产业取得了巨大的发展；过去50年见证了电子器件不断朝着小型、高速和高效的方向迈进；新的挑战：其中，电子器件高度集成而产生的热效应和信号延时两大问题阻碍了芯片运算速度的进一步提高。光因特网具有无与伦比的信息运载量;电子和介电体光子器件在尺度上的明显失配,无法实现纳米电子器件和微米光子器件的信息传输要解决上述问题，可能有待从根本上发展新的原理和芯片技术，不但使得纳米器件之间实现光的信息传输，同时还要在纳米电子器件和微米光子器件之间能够嫁接起一座桥梁 负折射材料及其应用 超透镜成像和超棱镜 (Superlens and Hyperlens) 隐身Cloaking根据变换光学，对材料性质的真实空间的介电常数和磁导率坐相应的相应的变换，就能实现光线按照设计的路径“直线”传播。隐身,是使光线在遇到物体时能够自动绕开障碍物，恢复原来的传播方向，就好像没