亚波长光学ppt课件

1,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,2,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,3,一、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。,Opticsisscience,technology,andengineeringwithlight.,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。,4,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。,光源,传输,调制,探测,成像,显示,存储,5,典型的光学系统,反射镜,6,光纤通信与传输,光学信息处理,分光分析,光应用计算,光空间传输,光存储光计算激光打印,光遥感光开关光通信,光学的广阔应用,光纤通信光存储光计算在线检测危险环境测量激光医学激光加工军事应用遥感测量光传感精密计量,7,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,亚波长光学,自适应光学,8,2、亚波长光学(Sub-wavelengthOptics),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）。,9,1）亚波长缝,2）亚波长孔,4）亚波长孔簇,3）亚波长缝簇,常见的亚波长结构,5）亚波长散射单元,10,光源,传输,处理,光源的尺寸越来越小,设计亚波长光学元器件,实现高密度信息存储,获取微小的光子回路,新型光学传感器,亚波长光学的意义,11,二、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。,12,1900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。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。,1、表面等离子体激元的研究,13,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。,14,1998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。,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。,激起人们对表面等离子体激元研究的热潮。,15,什么是表面等离子体激元？,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。,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。,16,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。,17,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。,界面的边界条件，可得,18,如何激发表面等离子体激元？,全反射,1)激发表面等离子体激元方式一,19,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。,对应于短波长处的透射峰值表面等离子体激元共振,20,周期刻蚀,2)激发表面等离子体激元方式二,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。,21,有随机缺陷的表面形貌的散射,3)激发表面等离子体激元方式三,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。,22,表面等离子体激元带来的新现象,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。,现象1、增强透射,23,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。,24,现象3、超分辨成像,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,25,2、近场光学,近场：一般指物体附近十分之一波长的距离范围。,辐射场,倏逝波,26,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。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。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。,圆孔衍射,27,1928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160波长的空间分辨率。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。,近场光学的发展历程,28,1984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。,29,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。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。,3、纳米技术与纳米光子学,30,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。,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0.1m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原子的去除、扭迁、增添和原子的重组。,31,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,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。,32,纳米存储器,纳米传感器,DNA开关,33,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.,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。,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。,34,三、亚波长光学的研究方法,圆孔衍射,狭缝衍射,1、衍射理论基础,35,1.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：,（1）标量衍射理论,36,5.瑞利一索末菲衍射公式,4.菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式,3.HelmholtzKirchhoff积分定理的一种形式,边界条件限制下,Fresnel衍射公式,Fraunhoff衍射公式,37,有限时域差分法,（2）矢量衍射理论,38,有限时域差分法Yee氏网格,电磁场量的离散化,39,40,2、衍射区域的划分,41,衍射近场区域,菲涅尔衍射深区,Scalarapproximation,42,3、亚波长结构的衍射,各类亚波长结构的远场衍射各类亚波长结构的菲涅尔深区衍射各类亚波长结构的近场衍射,43,亚波长缝的近场、菲涅尔衍射深区的衍射,Slitwidth=80nmLayerthickness=200nmLaser=650nm,Slitwidth=几倍波长以上,狭缝远场的衍射,44,半径在几倍波长以上,ay=3axandh=ay/3,均小于波长,亚波长孔的近场、菲涅尔衍射深区的衍射,小孔远场的衍射,45,单、三个亚波长缝的近场与菲涅尔衍射深区的衍射,46,光栅的各区域的衍射,周期不同,周期在几个波长以上,47,亚波长结构中光学现象的分析方法,48,应用1、纳米光学反射镜和分光镜,ManipulationofSPPsinsteadofphotonsleadstonano-opticsmirrorsandbeam-splitteraredemonstrated.,四、亚波长光学的应用,49,应用2、纳米透镜,Slitwidth=80nmLayerthickness=200nmLaser=650nm,2mwideconvexbump,Slitwidth=80nm,Slitdepths:700nmand750nm,Slitdepths:450nm,700nmand750nm,PhaseshiftingcreateslenseffectsCollimationandfocusingdemonstratedFocallengthslitnumberNoedgeeffect,50,应用3、光子芯片,光在金属线中的传输,51,应用4、表面等离子体激元耦合器,52,应用5、纳米刻