纳米光子学答卷

纳米光子学答卷

孙琼阁07B911004

1.纳米光子学的研究对象, 范围和意义是什么?

答：纳米光子学是在纳米尺度下处理光和物质的相互作用，是一门结合纳米科学与光子学的新型交叉学科。主要研究纳米尺度范围内的光学现象及其应用。其目的是通过制备新型纳米材料和器件对光子进行控制，研究广泛应用于信息处理和国防、安全、医疗以及生物科技方面的量子器件的物理学基本原理和新的应用方法。纳米光子学包含三部分内容：

（1）辐射场纳米尺度限制：光被限制在纳米尺度—比光的波长还小的尺度。有许多办法把光限制在纳米尺度范围，如使用近场光的传播；被压缩的光通过金属薄层和逐渐变细的光纤，在这里光通过一个比光波长更小的尖端开口发射。

（2）物质纳米尺度限制：物质被限制在纳米尺度，因此也就限制光和物质间的相互作用在纳米范围。对于光子学物质的纳米尺度的限制制成纳米材料，包括限制物质的尺寸产生纳米结构的各种方法。如人们能利用纳米粒子展示电子和光子的独特性质。发现这些纳米粒子正被用于纳米光子学的各种应用中，是令人满足的，如在遮光剂洗液中UV减震器。纳米粒子能构成有机材料和无机材料，Nanomers，是单节显性有机结构的纳米尺度的低聚体（小数量的重复单元），使纳米粒子的有机相似物。聚合体是大数量的重复单元的长链结构。这些Nanomers表现出依赖尺寸的光学性质。金属的纳米粒子表现出独特光学响应，增强电磁场，组成胞质基因学。有纳米粒子吸收两个IR光子转换到在可视的UV范围的一个光子，相反地，有纳米粒子，叫量子切割机，吸收一个真空UV光子转换成两个可视范围的光子。纳米材料很热门的一个领域是光子晶体，表示一个周期的电介质结构，具有光波长数量级的重复单元。纳米合成物由两个或多个不相似的材料组成的纳米范围的物质，是纳米尺度的相位差。在纳米合成物中每一个纳米域能告知粒子的光学性质。在不同域间的能量传输的光的能量流能被控制。

（3）纳米尺度下光处理：可使用到纳米平板印刷术中制作纳米结构，组成纳米传感器和激励器。纳米光学记忆是纳米制作令人激动的概念之一，纳米制作的一个重要特征是这个光处理能被限制到确定的纳米区域，以便能在精确的几何学和排列中被制作。

纳米光子学对不同的人具有不同的意义。一些人把纳米光子学主要看作近场作用和近场显微镜方法，而其他人则认为纳米光子学集中在光子晶体。主要方向是纳米材料，部分展示了他们的光学性质尺寸的依赖，这些是量子限制结构。对工程、纳米规模的光学设计及纳米平板印刷术是纳米光子学最相关的方面。

纳米光子学结合许多主要技术，如激光，光子学，光电子学，纳米技术和生物技术。这些技术每年能创造上万万美元的收入。纳米技术对各种学科也提供了许多机会，如

化学和化学工程

新奇的综合路线和纳米材料处理；分子纳米结构的新类型和超分子和纳米建筑体系的结合；表面修正产生纳米模板化学。

物理

量子电动力学在纳米腔中研究新奇的光现象；但光子源的量子信息处理；纳米规模的非线性光处理；电子之间、光子和光子间的相互作用的纳米控制。

设计工程

纳米平板印刷术用于发射器、探测器和连接器的纳米制作；发射器、传输系统、信号处理、和探测器，加上功率发生器的纳米规模的结合；光子晶体电路和基于显微腔的设计；光子晶体和细胞基因学的结合促进各种线性和非线性光学函数；激光器量子点和量子丝。

生物

对于光子学生物材料的基因操纵；生物原理指导光子材料的发展；对光子结构的新颖的生物胶体和生物模

板；生物传感器的纳米技术。

2. 比较光子和电子有什么同异之处:

(1) 光子和电子的特性

(2) 在自由空间和1-3维限制下的传播规律

(3) 纳米尺度下的相互作用规律

答：从物理意义上看，光子和电子都是基本粒子，都具有波粒二象性。不同点：从经典物理讲，光子定义为电磁波输送的能量，电子是物质的基本带电粒子；从量子意义上讲，

光子和电子都是波，波长均为p

h =λ，不同点为电子波长比光子的小；描述电子和光子传播和他们在介质中允许的能量值的本征值方程相同。光子是矢量场，光能被极化，而电子的波函数是标量；光子没有自旋和电荷，而电子有自旋和电荷。

在自由空间中传播，没有相互作用势或是常量。对于光子，折射率n 不变，电磁波为平面波，能量为

λωνhc

h E ===η

色散关系：k c =ω 表明光子频率或能量与波矢线性关系。

对于自由电子在自由空间传播，由薛定谔方程解得的波函数也是平面波，因此由波函数绝对值平方描

述的几率密度在每点都相同，符合电子的自由态。能量的色散关系为m

k E 22

2η=，与波矢是二次的关系。 从微观物理的角度考察：电子是费米子，带基本电荷，具有空间局域性。它可以是信息的载体，也可以是能量的载体。作为信息载体时，可以通过金属导线或无线电波在自由空间进行传递。电载信息的主要储存方式为磁储存。微电子技术发展了电子计算机，其信息处理的速度受到了电子开关极限时间10-10 s

的障碍，和大规模集成电路密集度水平以及并行技术的制约。

光子是玻色子，电中性，没有空间局域性而具有时间可逆性。它可以是信息的载体， 也可以是能量的载体。作为信息载体时，可以通过光纤（光缆）或自由空间进行传递，光载信息的主要存储方式为光储存。光子技术将发展起光子计算机，其光子逻辑或智能运算的信息处理速度将受到光子开关极限时间10-14s 的障碍，和光子集成光路密集度水平以及并行技术的制约。这些制约都远较电子技术所受制约宽松。 光子作为能量的载体时（只有光子简并度极高的激光束才能实现），高能激光束可以让物质改性，可以作高温热加工，甚至有望导致核聚变。由于激光波长比电子波长短很多，因而可以胜任非常精细的工作。

光子和电子的传播，在维数上可以通过在他们的传播路径使用变化的相互作用的势反射这些粒子限制他们的传播，因此把光子和电子的传播限制到一个或一组特定的轨道。

对于光子，这个限制能通过在高折射率或具有高表面反射率区域的诱捕光引进。这些限制的区域能是波导或腔共鸣器。如光平面波导，光纤，微球体光腔。这些限制在一维下能产生，如平面光波导的例子。在这，光传播被限制在高折射率的一个薄层内，光导层的折射率n 1比周围媒质的折射率n 2更高。在平面的波导粒子中，这个限制仅仅是垂直的（x 方向），传播方向是z 。在光纤或隧道波导中，限制x 是y 或方向。一个微球体是一个限制光在所有维的光媒质的粒子。在导向的媒质和周围媒质之间通过反射率比限制光，这个比n 1/n 2对光传播产生障碍起到散射势的作用。在光纤或隧道波导中，二维限制，电场E 等于

))((),(2

1z i z i e e z a y x f E ββ-+= 场分布和相应得传播常量可以通过解麦克斯韦方程和边界条件得到。波方程的解表明这个限制产生一定离散的场分布叫本征模，量子数（整数）。对于一维限制，仅有一个量子数n ，假设值0，1等等。从上面的描述，可以清楚地看到，限制产生了量子化，也就是说，场分布离散类型，通过一组量子数表示各种本征模。

现在我们看电子的限制也导致波性质的修改和产生量子化，即可能本征模的离散值。电子相应得一维、二维、三维的限制有量子井、量子线、量子点。限制电子的势是能量障碍，即在这样的区域，势能V 比点子的能量E 更高。经典中，电子将被完全限制在势能屏障中（墙），如果这个势能屏障是无限的，这是事实。然而，对于有限势屏障，波函数确实进入到屏障区，模式变成与光子相似。然而长模是不同的。但是，对于电子，有重要的更短波长，所以这个限制的维数必须在纳米的，产生重要的量子效应。

光子和电子都表现协作效应。对于光子，协作效应是非线性的光效应，在高场力（光强度）中被产生。对于电子，协作效应的例子是电子和电子在超导中的相互作用，及在半导体中电子空穴对和双电子空穴对的形成。

和光子相联系的电场通过使用许多几何学能被限制产生纳米尺度下的光的相互作用。光场能在横向和纵向两个方向被局域在纳米尺度。向轴方向的光的纳米尺度的相互作用通过渐消失的波和表面胞质基因波产生，而横向的相互作用通过使用近场几何学产生。表面胞质基因是电磁波，沿着金属层和绝缘体间的表面传播。

在两个相邻的离子间的纳米尺度下的电子的相互作用产生新的光吸收带或者允许新的多光子吸收。在半导体中起源于两个电子空穴对的双电子空穴对的形成是产生新的光吸收和辐射的例子。在分子系统，类似的效应是分子间的相互作用产生各种具有不同特殊性质的集合体。另外纳米尺度下相互作用产生受激二聚物叫做基态分子和基态二聚物（两个不同分子构成的二聚物）。纳米尺度下的相互作用也由受激态的能量改变产生，吸收分子回到基态，转变激发态能量到不同类型的较低能量的受激态的分子。

3. 光子晶体的能带和缺陷特性和光子晶体器件(光子晶体光纤等)

我们知道在半导体材料中,由于周期势场的作用,电子会形成能带结构,带与带之间有能隙(如价带与导带) ,使电子的能谱具有带状结构。在光子晶体中,由于介电常数存在空间上的周期性,对在其中传播的光波的折射率同样有周期性分布,光波的色散曲线也会形成带状周期性结构,带与带之间可能出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(photonic bandgap) 。光子禁带是指在一定频率范围内的光子在光子晶体内的某些方向是