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1、什么是纳光子学？纳米光子学是研究纳米尺度下光的行为、光与物质相互作用的科学与技术。纳米光子学横跨光学、光学工程、电子工程、纳米科技等多个领域。纳米光子学的革命性变革：利用纳米操控这一极大自由度、在纳米尺度下利用人工结构实现对光物相互作用的有效 调控。纳米光学分为几个部分？1. 材料的纳米约束：在纳米尺度下制备不同大小、形状及材质的纳米金属颗粒，呈现出不同的光学响应。比如表面 等离激元共振提升太阳能电池效率，在医疗的应用等。2. 辐射的纳米约束：比如表面等离激元实现亚波长能量局域，实现能量的传输和会聚，如破衍射极限等。3. 纳米尺度的光学操控：目前的纳米加工技术可以制备各种一维/两维/三维的纳米
2、结构。例如：利用双光子干涉技 术制备的纳米牛（7微米借助微波天线的概念设计纳米天线；实现单量子点的光学定向辐射。纳米光子学的代表性子领域有哪些？表面等离激元：金属中自由电子与光的相互耦合形成的电磁本征态，具有亚波长特性和局域场增强特性。等离激元 器件同时具有尺寸小、频率高的特性。等蔑子体光学被视为链接传统光子学和电子学的理想桥梁。光子晶体：由不同折射率的介质按周期，住排列的成的规则光学结构，会产生光子带隙。超材料:由亚波长人工原子组成的人工复合材料，它具有天然材料所不具备的超常物理性质；超材料 中的人工原子 类似自然材料中的自然原子。S光子和电子的比较光物相互作用的核心？ 一一光与物质中电子的
3、相互作用；首先，需要了解光子与电子之间的关系：光子是电磁能量的基本单元；电子是带电粒子的戛本单元。光子 和电子都 具有波粒二象，性。儿子电子鼻子图像电子跃迁辐射电子光的产生光子吸收激发电子光的检测本征值方程去w+v鸟x%阿）=&）加：，-冷沪+口（对 g） = Eg自由空间平面波解E(r)=瓦=3” + 小皆)1p(f)二枷波长八=% = c/va = h/p = h/mv能虽E = hu = hkcft2fc7E = h3 =2m色商攵关系3 = kc矢虽场标量场动虽小，波长是百纳米鼻级动虽大，波长是纳米虽级波色子费米子不带电帝电色散关系为线性分布色散关系为抛物线廿布二光子和电子的局域儿子电
4、子光场局域效直光子局域电子局域材料一、二、三维高折射率材料一、二、三维势并材料最简单系统一维平板波导一维无限深势脐特征光子在沿垂直于板方向开始戾散化。系统维度塔加，光子离散化的虽子数也塔加。根括电子波函数的平面波解及其边界条件。周期性势场光子带隙电子带隙产生原因周期性折射率材料中，光子受多重散射效应周期性原子或分子结构中，电子受多重散射效应应用光子晶体波导：设计光子晶体，在目标频率附 近打开光子带隙。光子晶体中引入缺陷（空气 槽），光只能在空气槽中传输。直接带隙半导体：价带利导带边在k轴上同点；电子跃 迁自然满足动虽守恒，发光效率高。间接带隙半导体：价带利导带边在k轴不同点；受限于 动虽守恒条
5、件，电子不易从导帝跃迁回价帝（需要额外 动虽），发光效率低。三、光子和电子的V8穿效应儿子电子透反射效应根据爰克斯韦方程以及边界条件，可求解光的 透反射率。根据詹定诲方程以及边界条件，可求解电子的透反射率。熠穿效应当光子遇到低折射率材料的壁垒时，部分光 子燧穿到达另一区域。当电子遇到高势能材料的壁垫时，电子会有一定概率焙穿 到达另一区域。什么是光子理穿效应？光在发生全反射时，根据系统的平移不变性，反射光和折射光水平波矢守恒，电磁波光疏媒质中以衰逝波存在，当远曳界面时空气中电磁能量指数exp （-az）衰减；对于介质/空气/介质系统（ 1/出/ 1），部分全反射光可能燧穿过中间的光疏媒质，产生光
6、子燧穿效应。当光疏媒质厚度越薄，或者衰逝波的眉肤深度越大（1/Q）时，光子燧穿效应越显著。四、光子和电子在纳米尺度的效应 （1）表面等离激元生物传感器：等离激元传感器：入射光+棱镜+金膜+反射光+微流通道；当含有生物分子的微流经过金属表面时，反射光谱发生频率偏移，夹现传感功能。等离激元传感器的优点：1局域近场，不受远场环境干扰；2.可实现微量样品的检查；3.表面等蔑激元对环境变化灵敏 度高；4.光学检测，系统简单；（2）量子燧穿效应（3 ）近场耦合增强光和物项相互作用五、转移矩阵方法（ Transfer matrix method）（推导见课件）什么是转移矩阵方法？转移矩阵方法用于计算一维、两
7、维、三维系统光学媒质中的光场分布、透反射系数、能带结构等。转移矩阵建立 起两种媒质交界面两侧电磁场间的关系；传播矩阵建立起同一媒质中不同位置处电磁场间的关 系。转移矩阵和传输矩阵 的组合可以构建起光子系统中任意位置电磁场间的关系，即可以描述电磁波在光 学媒质中的传播过程。广义来说，正入射光在两种媒质交界面上的透反射率由它们的阻抗比决定，而非折射率比。当两媒质 的阻抗比越大，反射就越强，光就越不容易进入另一种媒质。当光从高阻抗媒质入射到低阻抗媒质时（如假设假设媒质1为空 气，媒质2为金属），会发生半波损失的情况。六、金的介电琴数（推导见课件）金属中电子的运动方程厂=金属的电导知一吕金属介电常数的
8、Dn.de模蜚二讪-船,外二霭#常见金属的Dmde模型参wT-1013 - 1014Hz金属介电常数的讨论：在微波段（3109Hz ）:金属的介电常数虚部是很大的正数，实数基本是负的常数。在光波段（310 3 _ 10 X 4Hz ）:金属介电常数的实部绝对值较大，虚部较小。3近场相互作用及近场显微一、近场光学的起源为什么会存在衍射极限？光是一直电磁波，具有衍射和干涉效应。传统光学透镜分辨率存在衍射极限，聚焦点的半径d=_ = 2_o根源是棱 镜只能收集源发出的部分光的信息，特别是丢失离傅立叶分量（上。）部分，分 辨率正比于所能收集到的最大傅立叶 分量。如何突破衍射极限？提高光学系统的数值孔径
9、；使用高折射率的背景媒质；塔大角度（增大透镜的口径电子显微镜：用聚焦电子束扫描样品，通过收集激发的二次电子等信号来还原样品微观形貌的电子显微仪器。分辨 率：亚nm量级。缺陷：高能电子束会对样品产生损伤。近场光学和远场光学的区别？远场光学：数值孔径决定分辨率；近场光学：纳米孔隙尺寸和样品探测位置间距决定分辨率；二、近场光学的发展现状什么是近场光学？近场光学研究的是非传播的非均匀场及其与物质的相互作用。其核心是收集近场（高傅立叶分量近场光学装虞与举例？扫描近场光学显微技术的特征是，纳米尺寸探针与表面亚波长尺寸物体耦合后发射或收集光子。近场光学装置分为aperture , aperture-less
10、 ，以及 scaimiiig timneliiigmicroscopy 三类。现代近场光学装置一光纤式近场探针：利用探针辐射的近场分量进行超分辨成像；通过包覆金属薄膜层，使得光学探针的辐射场局域性更好。关键因素：针尖必须非常靠近样品（约10nm ）；样品表面形貌可能非常复杂。三、近场光学的应用举例表面等蔑激元(SPP )在超分辨成像方面有重要应用；扫描餐输等离激元近场光学显微：需要借助棱镜的全反射效应；对特定波长需要特定的入射角度。利用传输表面等离激元的亚波长特性；分辨率Aspp ；扫描局域等离激元近场光学显微：入射光可直接照射产生SPP ;不同入射角度都可激发SPP ;分辨率、局域场的大小、
11、针尖尺寸目前最新超分辨成像技术：Stimulated emission depletion (STED) microscopyStochastic optical reconstmction microscopy (STORM)Photoactivation localization microscopy (PLM)4子限制材料一、子限制效应什么是子限制效应？描述了当材料尺寸达到纳米量级时，其电子能级的，性质以及光学性质如何发主变换。量子阱是由宽带隙/窄带隙/宽带隙半导体组成的1D限制纳米材料；窄带隙半导体层很薄（电子德布罗意波长量 级）；无限深量子阱vs有限深量子阱；电子或空穴被限制在量子阱
12、中。不同尺寸量子点具有不同的发光波长。二、子限制效应的表征和应用子限制半导体材料有哪些光学性质？带间跃迁的调制：由于量子限制效应，导带和价带出现子带，能隙随着尺寸的减小而增大，因此带间跃迁将发生 蓝移。新的带内跌迁：电子在导带内的跃迁，或空穴在价带内的跃迁。k-mismatch-效应弱，并需要声子等*甫助。量子限 制材料中的带内跃迁：量子效应一子带产生，电子可子带间跃迁。应用：量子级联激光器等；间接带隙材料跃迁几率增加：当间接带隙半导体接近于纳米尺寸，根据海森堡不碉定性原理，材料尺寸越小，k 不确定性变大，满足动量守恒几率增加，跃迁几率增加在外加电场的作用下半导体材料出现的效应？Frailz-
13、Keldysh效应：在外加电场的作用”F ,体半导体材料吸收带会出现low-energy tai 1。原因：电场引入一能带 偏移；效应：电场引入一分离Exciton-谱线展宽。Stark效应：量子阱垂直方向施加电场，由于限制效应，电场使电子和空穴的波函数沿相反方向运动并 变换；电子 空穴波函数分离一激子结合能下降，激子峰偏移和展宽；电场的引入将改变材料折射率，因此可以用来调控光的传播， 可用来做电光调制器。什么是介电限制效应？量子线或量子点被嵌套在低介电常数的背景媒质中，引发的效应：介电环境的改变可以调控量子结构 的光学性质；低折射率材料包覆T光被限制在量子结构局域区域T局域场增强T引发非线性
14、光学效应等；什么是超晶格？量子结构（量子阱、线、点）组成的周期性复合结构。量子结构间距较小时，它们之间发生相互作用，改 变原本 单量子结构的波函数及能级。双量子阱系统：以双量子阱为例，当间距非常小时，两个量子阱的独立能级En不再简并，将产生En+和Em两个 能级。N个量子阱系统：N个量子阱相互作用，导致每个能级En附近产生众多子能级，它们形成微带。1D量子阱超晶格：相较体半导体和单个量子阱系统，超晶格的色散关系由于周期性的引入，产生能带结构；超晶 格系统中的态密度函数随之被修正；连续分布（3D）-阶梯分布（2D）-修正阶梯分布（SL）3D量子点超晶格光学性质:随着晶格尺寸的缩小，纳米晶离散k值
15、变大，电子跃迁的能级升高，吸收谱发射蓝 移。核-壳量子点：窄带隙量子点被宽带隙半导体壳包覆而成。相较无包覆量子点：量子点吸收谱会发生红移（电子波 函数泄露到壳层）；通过改变包覆材料的种类，调控量子点的发光波长；被包覆的量子点的发光 效率可以被提高。量子点-量子阱：量子点被多层较窄或较宽带隙半导体包覆而成，类似洋葱结构。拥有更大自由度调控量子点的发 光性质。量子限制效应的应用一激光器？激光原理：受激辐射光放大。受激光和激发光具有同样频率、偏振、相位、属于相干光。单量子阱激光器：GaAs薄层作为增益媒质，被p型掺杂和n型掺杂的AlGaAs所包覆。通过外加电压分别注入 电子和空穴，它们在GaAs层中复合时产生光子并谱发激光。由于量子阱厚度薄，因此激光阈值电流低，同时电调控的 特点使得激光调制频率高。多量子阱激光器：多量子阱激光器具有更高的输出功率，相对单量子阱而言，需要更强的注入电流密量子点激光器：相较量子
