亚波长光学
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
BG
15
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。
BG
16
• 界面的边界条件，可得
• 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）。
BG
8
常见的亚波长结构
1）亚波长缝
2）亚波长孔
3）亚波长缝簇 b ,2 ,4
4）亚波长孔簇
5）亚波长散射单元
BG
9
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
光源的尺寸 越来越小
传输
处理
实现高密度 新型光学传
减全反射现象。
BG
19
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。
BG
20
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。
精密计量
BG
6
光学
量子光学 激光光谱学 非线性光学 生理光学 信息光学 导波光学 新型激光器 薄膜光学 自适应光学
亚波长光学
BG
7
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。
光源
传输
调制
探测
成像
显示 存储
BG
4
• 典型的光学系统
光源
透
物
镜
体
BG
5
光纤通信与传输
光纤通信 光存储
光存储
光 光学信息处理 光计算 光计算
在线检测
学
激光打印
的
广 阔
光空间传输
光遥感 光开关
应
光通信
危险环境测量 激光医学 激光加工 军事应用
用
光应用计算
遥感测量 光传感
分光分析
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
BG
1
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
BG
2
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。
• 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。
BG
3
• 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。
• 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。
BG
12
• 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。
z
• 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。
BG
14
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。
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。
BG
17
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
BG
18
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
• 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。
BG
源自文库
13
• 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。
BG
11
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。
• 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。
信息存储
感器
BG
10
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。
• 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。
• 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。
BG
15
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。
BG
16
• 界面的边界条件，可得
• 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）。
BG
8
常见的亚波长结构
1）亚波长缝
2）亚波长孔
3）亚波长缝簇 b ,2 ,4
4）亚波长孔簇
5）亚波长散射单元
BG
9
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
光源的尺寸 越来越小
传输
处理
实现高密度 新型光学传
减全反射现象。
BG
19
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。
BG
20
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。
精密计量
BG
6
光学
量子光学 激光光谱学 非线性光学 生理光学 信息光学 导波光学 新型激光器 薄膜光学 自适应光学
亚波长光学
BG
7
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。
光源
传输
调制
探测
成像
显示 存储
BG
4
• 典型的光学系统
光源
透
物
镜
体
BG
5
光纤通信与传输
光纤通信 光存储
光存储
光 光学信息处理 光计算 光计算
在线检测
学
激光打印
的
广 阔
光空间传输
光遥感 光开关
应
光通信
危险环境测量 激光医学 激光加工 军事应用
用
光应用计算
遥感测量 光传感
分光分析
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
BG
1
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
BG
2
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。
• 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。
BG
3
• 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。
• 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。
BG
12
• 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。
z
• 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。
BG
14
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。
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。
BG
17
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
BG
18
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
• 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。
BG
源自文库
13
• 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。
BG
11
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。
• 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。
信息存储
感器
BG
10
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。
• 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。