第六章 纳米光子学

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Topographic image Optical fiber Pol. control
Aperture SNOM • SNOM tips
Laser
Turner etching method Hydrofluoric acid Chemical etching Inverted optical microscope nf optical image Optical fiber Al coating Glass
To test the real LDOS the tip should act as a perfetct dipole at a nanometric distance from the surface. Real tips always pertirb the LDOS and what is measured is the combined LDOS of the sample and the tip!
Aperture SNOM • SNOM tips - pulling
Metal coating Core Cladding
Light propagation
Source: InAs Qdot Point like source l /40 below the surface
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Aperture SNOM • SNOM tips - etching
金属光学
“Labors of the Months” Norwich, England ca. 1480
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• 电磁场中的自由电子气体: Drude模型
电子驰豫时间:
• 在等离子体频率 以上，金属透明； • 等离子体频率以 下，为负，场指 数衰减，金属反射 光。
• Drude模型适用于低能量情况,高能量区偏差较大.
Feedback xyz piezo
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Aperture SNOM • Typical set up
• The tip should be kept at a controllede distance from the sample surface
• Feed back mechanism: shear force (similar to AFM tapping mode) • Feedback detection: quartz oscillator (STM current is not suitable for biological samples; optical methods are disturbing the optical response).
0.61λ
NA
λ：入射光波长
NA：透镜的数值孔径
应 用
与电子扫描式显微镜 ( AFM、STM)比较
非破坏性测量 ─可侦测到真实的表面 ( Real Surface Measurement ) 样品不需繁复的制备手续 无需在真空下检测 具有其他光学性质的优点
近场光学原理除了 应用于近场光学显微镜、作为纳米 尺寸的局部光学强度与材料的光学特性等测量用外， 由于此技术同时具有纳米尺寸加工与曝光的能力，故 还可用于制作单电子晶体管、量子阱等纳米元件，以 及应用于更高密度的存储器上。
optical quantum corral optical quantum corral
Light Polarization control Elliptical mirros that selects only the near field radiation (propagating radiation is not allowed in the “forbidden light region with q>qc The signal is 0 only closo to the sample Teorical optical LDOS in x, y and z direction
•Operational modes
Piezo actuator
Aperture SNOM
Electrodes
Illumination
Impedance detector
Collection
Illumination collection
Reflection collection
Transmission Transmission collection illumination
来自百度文库
feedback control
xyz Scanner
Detector
Heating and pulling method
heating
Aluminum vapor
pulling breaking Monochromator
Aperture SNOM
• SNOM tips • Calculation of the distribution of electric field as a function of the tip geometry
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光学特性通过反射测量得到
SPP的特点：
- EM场的强局域化；易于得到强的局部场强。
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色散关系
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传播长度
SPP的激发
δm-光在金属中的 衰减长度；
δd-光在介质中的传 播长度；
δsp-SP的传播长度；
• SP对于所有能量处于光的色散下方，对任意角度都 具有大的动量，因此 SP不能被平面波直接激发； • 必须提供额外的动量，方能激发SPP. • 利用光栅或全内反射技术匹配入射光和SP的动量
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什么是极化激元?
• 等离极化激元(Plasmon Polariton) • 声子极化激元(Phonon Polariton) • 激子极化激元(Exciton Polariton)
什么是极化激元?
• 等离极化激元(Plasmon Polariton) • 声子极化激元(Phonon Polariton) • 激子极化激元(Exciton Polariton)
近场显微术
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Aperture SNOM
• The near field decays exponentially with distance • The tip should be kept at a controllede distance from the sample surface • Feed back mechanism: shear force (similar to AFM tapping mode) • Feedback detection: quartz oscillator (STM current is not suitable for biological samples; optical methods are disturbing the optical response).
等离子体子(Plasmon)
• 定义: 金属中准自由电子的集体振荡的本征 • 有由于电子带有电荷,电子的振荡与外电磁场有关. • 理论上对集体振荡的描述应包括电子和外场的相 互作用. • 电磁场的不同的边界条件导致多种Plasmon形式: 体等离子体子,表面等离子体子以及粒子等离子体 子. • 历史上, 1907年Zenneck和1909年Sommerfeld在 无线通信领域研究过.但集中在低频段.
相关理论的提出
微波实验证实 第一步STM诞生 近场光学技术与STM结合 发展具有光学回馈的NSOM且开
启了以腐蚀方法制作探针
1992 AD Eric Betzig 近场光学技术与AFM的结合
• 近场光学主要探测的是束缚在物体表面的非辐射场。普通 光学成像的分辨率由于受到衍射极限的限制, 理论上不能超 过入射光波长的一半, 在可见光范围内,这一值约为200 nm 。当入射光通过一个直径小于波长的小孔时,样品上只有相 当于小孔直径的范围被照射,此时扫描成像的分辨率将取决 于探针的最小尖端的直径以及探针样品间距。 • 近场光学的本质是探测由物体衍射产生的携带低于λ/2空间 频率的传导分量和携带高于λ /2空间频率的非辐射分量即: 倏逝场或隐失场(evanescent field)分量。而隐失场的有效 范围仅限于一个波长以下,所以当使用纳米尺度的探头在样 品近邻扫描时,理论上可以将衍射场的非辐射分量记录下来 并转换为传导分量,从而极大地拓宽系统频带,因此可以获得 超高分辨率。从而突破了光学衍射极限。
• 很多宏观结构中都存在全反射引起的倏逝波场， 如光在普通光纤传输中的Goos-Hanchen效应。 • 若将光纤或波导直径降低 到亚波长或纳米量级，光传 输中的倏逝波场变得特别明 显并有可能占主导地位。
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近场光学的历史
1928 AD E. H. Synge ( England ) 1956 AD O’Keefe 1973 AD Ash & Nichols 1982 AD G. Binning & H. Rohrer 1984 AD D. W. Phol 等人 1989 AD R. C. Reddick 等人
Metal coating Core Cladding
Light propagation
NSOM 应用的优点
与传统光学显微镜比较
衍射极限的突破 ─大幅降低设备成本 理想透镜可分辨的最小距离 D D=
Holes are dug by various methods: The best results are obtained by FIB
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Aperture SNOM
• optical quantum corral
The experiment:
Testing the subwavelkenght modulation induced on the local density of states of the optical modes by the fabrication of nanometric opticla corrals Substrate ITO Modulators 100nm100nm50nm gold particles deposited by e-beam lithography
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6.2 表面等离子体光学
6.2.1 技术背景
• 电子学 纳米电子学：量子器件（量子阱，量 子点，单电子晶体管等）; 但是: 仍然慢(计算和通信) • 光子学: 光子晶体(集成光路); 但是: - 3D光子晶体制造困难,以2D为主(存在损耗); - 全光集成需要考虑非线性相互作用(缺乏研究); - 衍射受限; • 极化激元光学: 可能的途径
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第六章 纳米光子学 6.1 近场光学
6.1 近场光学 6.2 表面等离子体光学 6.3 其他应用
倏逝波
• 光学倏逝波（Evanescent wave): 几乎在所有的光与 材料相互作用的过程中都存在倏逝波，在宏观尺度的 材料和结构中，倏逝波往往由于不明显而被忽略，但 在与波长相当或比波长更小尺度的微纳结构中，倏逝 波可以起主导作用。 • 倏逝波或倏逝场是束缚于材料表面的非辐射场。 • 四百年前，牛顿所做的棱镜受拟全反射（frustrated total reflection）就显现倏逝波现象。
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optical quantum corral
Near field results in trasmission. Best results obtained with a gold coated tip without apertures (the tip At the tip the polarization is tilted along z The Snom data are fitted with a 1:4 mixing of the zx,y) polarization