亚波长光学的研究

光源
传输
调制
探测
成像
显示 存储
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• 典型的光学系统
光源
透 镜
物 体
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光纤通信与传输
光纤通信
光存储
光 学 的 广 阔 应 用
光存储 光学信息处理 光计算 光计算 在线检测 激光打印 危险环境测量 激光医学 光遥感 光空间传输 光开关 激光加工 军事应用 光通信
光应用计算 分光分析 遥感测量 精密计量 光传感
由于界面两侧法向电场不连续，界面上存在电荷密度， 电荷密度可表示为波的形式，其传播速度小于光速。 外界的电磁振荡可诱导产生表面等离子体激元。
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源自文库
注意如下三个过程：
• 表面等离子体激元的产生 • 表面等离子体激元的耦合 • 表面等离子体激元的激发 表面等离子体激元存在与金属与介质界面上，但并非所有 金属均能支持表面等离子体激元，仅但金属的介电常数的 为负值时，才能支持产生表面等离子体激元。如贵金属银 、金等。
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纳米传感器
纳米存储器
DNA开关
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• 表面等离子体激元沿着平坦金属/介电界面传播,因 金属中能量损耗仅传播约在微米或纳米级的距离 。 • 虽其研究长达100多年,但受制作工艺的限制，加工 不了微纳米尺寸的元件和回路，所以显露不出它的 特性,不为人关注。 • 随着纳米技术的快速发展，制作微纳米级的电子元 件和回路已不成问题。当结构尺寸与SPPs传播距 离相比拟时, SPPs特性和效应显露出来，人们重新 点燃起研究SPPs的热情. • 亚波长光学器件的衍射透射机理的研究中的现象 和效应不断成熟，新型亚波长光学器件不断涌现， 最终形成了亚波长光学这一光学分支学科。
基于超透镜的表面 等离子体激元纳米 光刻蚀术与传统的 纳米光刻蚀术性能 的比较。
分辨力提高了4倍
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2、近场光学
近场：一般指物体附近十分之一波长的距离范围。
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辐射场
倏逝波
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• 近场光学是伴随扫描近场光学显微术而发展起来的光学分 支，它研究物体表面近场区域光与物质相互作用的各种复 杂现象，如光的散射、反射、衍射、吸收和光谱学等等。
• 高密度存储，纳米量子结构、量子电路及其基础技术得 以实现。
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• 纳米技术（nanotechnology）一般指纳米级(0.1一100nm) 的材料、设计、制造，测量、控制和产品技术，是用单个 原子、分子制造物质的科学技术。
1990年IBM公司阿尔马登研究中心的科学家使用扫描探针设 备把35个氙原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。 1993年，中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出 “ 中国”二字。
• 1941年,Fano发现这种Wood异常是由等离子波造成的，意 识到金属光栅衍射的反常现象和局域在光栅表面的束缚 电磁模有关。 • 1958年,Turbader首先对金属薄膜采用光的全反射激励的 方法,观察表面等离子共振现象。 • 1965年Hopfield提出了激元的概念。由入射光激发的极化 波，是凝聚态物质的一种本征模式。这就允许研究者考 察该种本征模式在物质表面和薄膜界面的激发条件。
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如何激发表面等离子体激元？ 1)激发表面等离子体激元方式一 全反射
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对应于短波长处的透射峰值－表面等离子体激元共振
全内反射时,渗透到金属薄膜内的倏逝波引发金属中的自由 电子产生表面等离子体子, 当表面等离子体与倏逝波的频 率相等时,二者将发生共振。入射光被金属表面电子吸收, 界面处的全反射条件将被破坏，使反射光能量急剧下降,呈 现衰减全反射现象。 19
• 亚波长光学器件可在纳米尺度上操纵和控制光子， 因此在全光集成、光通信、信息存储和集成光子 学等领域具有突出的优势。
• 新型的亚波长光学器件如纳米天线、亚波长成像 和超分辨透镜以及纳米光纤等的原理和设计成为 近年来人们研究的热点。
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1、表面等离子体激元的研究
• 1900年Wood发现光波通过光栅后,光频谱发生了小区域损 失,称为Wood异常现象，这是关于SPR的最早记载。
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常见的亚波长结构
1）亚波长缝 2）亚波长孔 3）亚波长缝簇 4）亚波长孔簇 5）亚波长散射单元
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亚波长光学的意义
设计亚波长 光学元器件 获取微小的 光子回路
光源
传输
处理
光源的尺寸 越来越小
实现高密度 信息存储
新型光学传 感器
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二、亚波长光学的研究进展
• 基于近年来表面等离子体激元的研究和纳米技术 的发展，2003年Barnes提出了亚波长光学。
Fresnel衍射公式
Fraunhoff衍射公式
exp[ik (r s)] U ( P) [cos(n, s)]dS S rs iA
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• 界面的边界条件，可得
k0
• 表面等离子体激元的动量与入射光子的动量不匹配， 所以在通常情况下，表面等离子体激元不能被激发。 只有采用特殊的手段，如外加耦合作用才能激发它。 • 在金属表面做一些人工结构后，表面等离子体激元在 沿着表面传播方向上能够遇到多个结构周期散射。 • 界面的人工结构解决了两个问题：非光滑表面提供散 射源，让外场得以与表面等离子体发生耦合；束缚于 表面的表面等离子体激元可通过耦合再辐射出去。
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3、纳米技术与纳米光子学
• 信息社会对集成电路的集成度要求越来越高，在不断探 索突破器件尺寸极限的过程中纳米光子学应运而生。 • 纳米光子学朝着纳米光电子集成的方向发展。 • 纳米光子学是纳米技术和光电子学为基础的光学分支。
• 纳米光子器件是纳米光电子学的重要内容。离子束刻蚀、 纳米压印技术、等离子体加工是纳米器件制作方法。
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表面等离子体激元带来的新现象 现象1、增强透射
一亚波长尺寸的圆洞被同 心周期槽状圆圈环绕时， 观察到透射增强现象。
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现象2、聚束效应
光照明一被光栅结构包围的 亚波长圆孔时，辐射的电磁 波出现很强的角度限制。 当入射光频率接近表面等离 子体激元共振频率时，光束 的角发散度仅为3o。
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现象3、超分辨成像
• 1982年宾尼及罗勒制作出第一台电子扫描穿隧显微仪。 1986年，获得当年度诺贝尔物理奖。 • 1982-1988年间，费雪等人在德国哥廷根的马克士普郎克 研究中心、普尔等人在瑞士IBM研究中心以及刘易斯等人 在美国康乃尔大学，以STM的探针控制技术进行近场光学 显微仪的制作。
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• 1984年瑞士苏黎世研究室的普尔等人研制成功了世界上第一 台近场扫描光学显微镜。 • Leviatan在1986年和Roberts在1987、1989、1991年运用 Bethe的理论分形了近场显微术中非常重要的孔经效应，确 认了孔经附近倏逝波的存在。 • 1986年宾尼等人在美国斯坦福大学发明的原子力显微镜。 • 基于隐失场探测的近场扫描光学显微镜、近场光谱仪已经 在物理、生物、化学、材料科学等领域中得到应用. • 基于近场光学可实现纳米光刻和超高密度近场光存储、纳 米光学元器件、纳米尺度粒子的捕获与操纵等。 • 大量应用于生物、医学、半导体及高分子材料等研究。
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光学
量子光学
激光光谱学 非线性光学
生理光学 新型激光器
信息光学
薄膜光学
导波光学 自适应光学
亚波长光学
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2、亚波长光学 (Sub-wavelength Optics)
• 亚波长光学——以表面等离子体激元为核心研究 内容的新兴学科，研究亚波长尺寸下光学器件和 光学系统中光的行为和性质，利用表面等离子体 和光子的相互作用，在亚波长范围内实现对光的 控制和利用。 • 通常波长量级为微米量级，因此亚波长光学的研 究尺度在纳米量级（几十到几百纳米）。
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• 1998年Ebbesen发现刻有周期性微孔阵列的金属薄膜 因激发表面等离子体激元而引起异常透射现象。
• 激起人们对表面等离子体激元研究的热潮。 • 各种微结构的透射效应，包括周期的、非周期的、不 同形状的透射研究。
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什么是表面等离子体激元？
表面等离子体激元是表面电磁振荡 或者表面等离子体极化子，本质上 是一种电磁波。
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三、亚波长光学的研究方法
1、衍射理论基础
圆孔衍射
狭缝衍射
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（1）标量衍射理论 1.惠更斯原理
波动传播到的各点都 可看作是发射子波的 波源，在其后的任意 时刻，这些子波的包 络就是新的的波源。
2.惠更斯—菲涅耳原理
整个波面 S 在 P 的振动：
K ( ) Ads E C exp(kr t )dS r S
亚波长光学的研究进 展及应用
滕树云
2011-4-29 山东师范大学物理与电子科学学院
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主要内容
• 什么是亚波长光学 • 亚波长光学的研究进展
• 亚波长光学的研究方法
• 亚波长光学的应用
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一、亚波长光学
1、光学 (Optics)
• 光学——研究光（电磁波）的行为和性质，以及 光和物质相互作用的物理学科。
• 远场光学在原理上存在着一个远场衍射极限，限制了显微 和其它光学应用时的最小分辨尺寸和最小标记尺寸。
圆孔衍射
• 近场光学研究距离光源或物体一个波长范围内的光场分布， 打破远场衍射极限，在原理上分辨率极限不再受到任何限 制，因此近场光学可提高光学分辨率。 • 近场光学技术的光学分辨率可以达到纳米量级，这将为纳 米科技的发展提供有力的操作、测量方法和仪器系统。
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近场光学的发展历程
• 1928年英国辛格和1956年美国的欧基夫先后提出在近场光 学中进行光学测量，可避免大于一个波长的距离之后光波 动性质的呈现与干扰，获得超越绕射极限的空间分辨率。 • 1929年亚许(E.A.Ash)与尼可斯(G.Nichols)以波长是3cm 的微波证实在近场范围中达到1／60波长的空间分辨率。
2)激发表面等离子体激元方式二
周期刻蚀
沿金属界面传输的表面等离子体激元被光栅的周期性缺陷 中断，当表面等离子体激元与光栅周期相当时,二者将发生 共振,表面等离子体激元被辐射。
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3)激发表面等离子体激元方式三 有随机缺陷的表面形貌的散射
沿金属界面传输的表面等离子体激元被散 射单元散射，表面等离子体激元被辐射。
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3. Helmholtz－Kirchhoff积分定理的一种形式
1 U ( P) 4 exp(iks) U exp(iks) { s n U n [ s ]}dS S
边界条件 限制下
4.菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式
iA exp[ik (r s)] U ( P) [cos(n,r ) cos(n, s)]dS 2 A rs
• Optics is science, technology, and engineering with light.
• 日常生活中光学：眼睛、照相机、望远镜、显微 镜；光通信、互联网；激光打印机、扫描仪；CD、 DVD；条形码阅读机、安检。
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• 光学的研究范畴：光的本性、光的产生与控制、 光的传输与检测、光与物质相互作用，以及研究 光在科学研究和技术中的各种应用。
• 纳米加工达到纳米级精度，如电子束光刻加工超大规模 集成电路时可实现0.1μm线宽；离子刻蚀可实现微米级和 纳米级表层材料的去除；扫描隧道显徽技术可实现单个 30 原子的去除、扭迁、增添和原子的重组。
纳米激光器
• 2001年California大学Huang和Yang在Science上发 表室温紫外辐射的纳米激光器
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• 实际介质如金属其介电常数的频率依赖性决定了其微 结构甚至平面结构能够激发可用倏逝波函数表征的局 域本征模式。 • 1968年Otto利用衰减全反射法，在实验中测量了界面 激元实际为等离子体激元的色散关系。使研究重点从 倏逝波聚焦在表面或界面的非辐射束缚模式上。 • 1971年Kretschmann又给出了利用衰减全反射法用不 同结构同样获得了界面激元，Kretschmann结构也为 SPR型传感器奠定了基础。 • 纳米光学的发展，使束缚模式的机理研究逐渐拓展到 应用领域。出现集成光学。光子器件的尺寸也逐渐缩 小至纳米量级，对光束实现控制。
蓝宝石基底上镀上1-3.5微米厚的金，再热蒸镀锌长2-10微米、直 径为20-150纳米的ZnO纳米线，自然形成激光腔，Nd:YAG激光泵 浦获得385纳米激光输出。
• 2004年哈佛大学Charles和Lieber在Nature上报道研 制了用电激励泵浦的纳米激光器。
硅基底上涂硫化镉纳米线，电流通过纳米线发出蓝色光。