亚波长光学.ppt

1、1.亚波长光学的研究进展与应用，滕，山东师范大学物理与电子科学学院，2011年4月29日，2。主要内容，亚波长光学的研究进展，亚波长光学的研究方法，3。首先，亚波长光学，1。光学，研究光(电磁波)的行为和性质。光学是科学、技术和工程。日常生活中的光学：眼睛、照相机、望远镜、显微镜；光通信和互联网；激光打印机、扫描仪；光盘、DVD条形码阅读器，安全检查。4.光学的研究领域：光的本质、光的产生和控制、光的传输和探测、光与物质的相互作用以及光在科学研究和技术中的各种应用。光源、传输、调制、检测、成像、显示、存储、5、典型光学系统、镜子、6、光纤通信和传输、光学信息处理、光谱分析、光学应用计算、光学空

2、间传输、光学存储、光学计算、激光打印、光学遥感、光学开关、光学通信、光纤通信、光学存储、光学计算、危险环境在线检测、激光医学激光处理、军事应用、遥感、光学传感、精密测量、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、亚波长光学是以表面等离子体为核心研究内容的一门新兴学科，它研究光在亚波长尺寸的光学器件和光学系统中的行为和性质，利用表面等离子体与光子的相互作用实现亚波长范围内光的控制和利用。 一般来说，波长尺度是微米尺度，所以亚波长光学的研究尺度是纳米尺度(几十到几百纳米)。1)亚波长狭缝，2)亚波长空

3、穴，4)亚波长空穴簇，3)亚波长狭缝簇，常见的亚波长结构，5)亚波长散射单元，10，光源，透射，加工，光源的尺寸越来越小。亚波长光学器件能够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方面具有突出的优势。纳米天线、亚波长成像和超分辨透镜、纳米光纤等新型亚波长光学器件的原理和设计已成为近年来的研究热点。1900年，伍德发现光波通过光栅后，光谱中出现小面积损失，这被称为伍德异常，这是SPR的最早记录。1941年，法诺发现这种伍德异常是由等离子体波引起的，并认识到金属光栅衍射的异常现象与光栅表面局部束缚的电磁模式有关。1958年，Turbader首次使用光的全反射激发方法

4、来观察表面等离子体共振现象。霍普菲尔德在1965年提出了激子的概念。入射光激发的偏振波是凝聚态物质的固有模式。这使得研究人员能够在材料表面和薄膜界面上研究这种固有模式的激发条件。1.表面等离子体的研究：13.真实介质(如金属)介电常数的频率依赖性决定了它们的微结构甚至平面结构可以激发以倏逝波函数为特征的局域本征模。1968年，奥托利用衰减全反射法，测量了界面激子实际上是等离子体激元的色散关系。将研究重点从倏逝波转移到表面或界面上的非辐射结合模式。1971年，Kretschmann证明了界面激子也可以用不同结构的衰减全反射法获得，Kretschmann结构也为SPR传感器奠定了基础。随着纳米光学

5、的发展，对结合模式机理的研究逐渐扩展到应用领域。集成光学出现了。光子器件的尺寸逐渐缩小到纳米尺度，可以控制光束。1998年，埃贝森发现刻有周期性微孔阵列的金属薄膜的异常透射是由激发表面等离子体引起的。各种微结构的透射效应，包括周期性、非周期性和不同形状。激发了人们对表面等离子体研究的热情。什么是表面等离子体？由于界面两侧的正常电场是不连续的，界面上有一个电荷密度，可以表示为波，其传播速度小于光速。外部电磁振荡可以诱导表面等离子体的产生。表面等离子体激元是表面电磁振荡或表面等离子体激元，本质上是电磁波。16，注意以下三个过程：表面等离子体产生耦合表面等离子体激发，表面等离子体存在于金属和介质之间

6、的界面，但不是所有的金属都能支持表面等离子体，只有当金属的介电常数为负时才能产生表面等离子体。如贵金属，如银和金。表面等离子体的动量与入射光子的动量不匹配，因此在正常情况下，表面等离子体不能被激发。只有通过特殊手段，如外部耦合，才能激发它。在金属表面制作一些人工结构后，表面等离子体会沿表面传播方向遇到多重结构周期性散射。界面的人工结构解决了两个问题：(1)非光滑表面提供了散射源，使得外场可以与表面等离子体耦合；结合到表面的表面等离子体可以通过耦合重新辐射。界面的边界条件，可以得到，18，如何激发表面等离子体？全反射，1)表面等离子体激元模式1，19的激发，全内反射，穿透到金属膜中的倏逝波在金属

7、中诱导自由电子产生表面等离子体激元，并且当表面等离子体激元和倏逝波的频率相等时，它们将共振。入射光被金属表面的电子吸收，界面处的全反射条件将被破坏，使得反射光能量急剧下降，表现出衰减全反射现象。对应于短波长处的透射峰表面等离子体共振，20，周期性蚀刻，2)激发表面等离子体模式2，沿着金属界面传播的表面等离子体被光栅的周期性缺陷中断，并且当表面等离子体的周期等于光栅的周期时，它们将共振并且表面等离子体将被辐射。21，具有随机缺陷的表面形貌的散射，3)激发表面等离子体模式3，沿着金属界面传播的表面等离子体被散射单元散射，并且表面等离子体被辐射。22，表面等离子体带来的新现象。当亚波长圆孔被同心周期

8、槽圆包围时，观察到透射增强现象。现象1，增强透射，23，现象2，聚束效应，当被光栅结构包围的亚波长圆孔被光照射时，辐射的电磁波出现强角度限制。当入射光频率接近表面等离子体共振频率时，光束的角发散度仅为3o。24，现象3，超分辨率成像，基于超透镜的表面等离子体纳米光刻与传统纳米光刻的性能比较。25，2，近场光学，近场：一般指物体附近波长十分之一的距离范围。辐射场，倏逝波，26。近场光学是随着扫描近场光学显微术发展起来的一个光学分支，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。原则上，远场光学具有远场衍射极限，这限制了显微和其他光学应用中的最小分辨率

9、尺寸和最小标记尺寸。近场光学研究光源或物体在波长范围内的光场分布，打破远场衍射极限。原则上，分辨率极限不再受限，因此近场光学可以提高光学分辨率。近场光学技术的光学分辨率可以达到纳米级，这将为纳米技术的发展提供强大的操作、测量方法和仪器系统。27.1928年英国的辛格和1956年美国的奥基夫提出，近场光学中的光学测量可以避免大于一个波长的距离后光波动性质的出现和干扰，获得超越衍射极限的空间分辨率。1929年，阿什和尼科尔斯证明，在近场条件下，波长为3厘米的微波可以获得160波长的空间分辨率。1982年，本尼和巴兹尔制造了第一台电子扫描隧道显微镜。1986年，他获得了当年的诺贝尔物理学奖。从198

10、2年到1988年，费希尔等人在德国哥廷根的马克斯普朗克研究中心、瑞士的IBM研究中心和美国的康奈尔大学用扫描隧道显微镜探针控制技术制作了近场光学显微镜。28.1984年，瑞士苏黎世研究办公室的普尔等人成功研制出世界上第一台近场扫描光学显微镜。Leviatan于1986年和Roberts于1987年、1989年和1991年利用Bethe的理论对近场显微术中非常重要的空穴子午线效应进行了分形，并证实了空穴子午线附近倏逝波的存在。1986年，本尼和其他人在斯坦福大学发明了原子力显微镜。基于倏逝场检测的近场扫描光学显微镜和近场光谱仪已经在物理、生物、化学、材料科学等领域得到了应用。基于近场光学、纳米光

11、刻和超高密度近场光存储，可以实现纳米光学元件和纳米尺度粒子。它广泛应用于生物、医学、半导体和高分子材料。信息社会对集成电路的集成度要求越来越高。纳米光子学是在不断探索突破器件尺寸限制的过程中诞生的。纳米光子学正朝着纳米光电集成的方向发展。纳米光子学是基于纳米技术和光电子学的光学分支。纳米光电器件是纳米光电子学的重要组成部分。离子束刻蚀、纳米压印技术和等离子体处理是纳米器件的制造方法。实现了高密度存储、纳米量子结构、量子电路及其基础技术。纳米技术一般指纳米尺度(0.1-100纳米)的材料、设计、制造、测量、控制和产品技术，是用单个原子和分子制造物质的科学技术。1990年，IBM almaden研

12、究中心的科学家使用扫描探针设备将35个氙原子移动到各自的位置，形成IBM三个字母。1993年，中国科学院北京真空物理实验室通过操纵原子成功地写出了“中国”一词。纳米加工可以达到纳米级精度，如电子束光刻在加工超大规模集成电路时可以达到0.1m线宽；离子刻蚀可以去除微米级和纳米级的表面材料；扫描隧道技术可以实现单个原子的去除、扭曲、添加和复合。31纳米激光。2001年，加州大学的黄和杨在科学杂志上发表了一篇室温紫外辐射纳米激光。蓝宝石衬底镀有1-3.5微米厚的金，然后热蒸发长度为2-10微米、直径为20-150纳米的氧化锌纳米线，自然形成激光腔。泵浦Nd:YAG激光器，获得385 nm激光输出。2

13、004年，哈佛大学的查尔斯和利伯在自然杂志上报道说，他们已经开发出一种由电驱动的纳米激光器。硅衬底上涂有硫化镉纳米线，电流通过纳米线发出蓝光。32，纳米存储器，纳米传感器，基因开关，33。随着纳米技术的飞速发展，制作微纳电子元件和电路已经不成问题。当结构的大小与光子晶体的传播距离相近时，光子晶体的特性和效应就被揭示出来，人们重新燃起了研究光子晶体的热情。表面等离子体沿着平坦的金属/电介质界面传播，因为金属中的能量损失仅在微米或纳米的距离传播。虽然已经研究了100多年，但由于制造技术的限制，微纳元件和电路无法加工，其特性无法被揭示，人们对此并不重视。亚波长光学器件衍射和传输机理研究中的现象和效应

14、日趋成熟，新的亚波长光学器件不断涌现，最终形成了亚波长光学分支。34，3。亚波长光学研究方法，圆孔衍射，狭缝衍射，1。衍射的理论基础，35，1。惠更斯原理，波传播的每一点都可以看作是透射子波的波源，这些子波的包络在此后的任何时间都是新的波源。2.惠更斯菲涅尔原理，P: (1)标量衍射理论，36，5。瑞利-索末菲衍射公式，4。菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式，3。亥姆霍兹-基尔霍夫积分定理的一种形式、边界条件下的菲涅耳衍射公式和夫琅禾费衍射公式、37、(2)矢量衍射理论、38、有限时间差分法的易网格、电磁场量的离散化、39、40、2、衍射区的划分、41、衍射近场区、菲涅耳衍射深区、标量近似、42、3

15、、亚波长结构的衍射、各种亚波长结构的远场衍射、各种亚波长结构的菲涅耳深区衍射、43。亚波长狭缝的近场衍射和菲涅耳衍射深区衍射，狭缝宽度=80纳米层厚=200纳米激光=650纳米，狭缝宽度=几倍波长或更多，狭缝远场衍射，44，几倍波长以上的半径，ay=3ax和h=ay/3，都小于波长，近场衍射和菲涅耳衍射深区的亚波长孔，远场衍射的小孔，近场衍射和菲涅耳衍射深区的单个和三个亚波长狭缝，46，衍射应用1。演示了纳米光学镜和分光镜，用SPPS代替光子导致纳米光学镜和分光镜。4.亚波长光学的应用。应用2。纳米透镜。狭缝宽度=80纳米层厚=200纳米激光=650纳米，2米宽凸块，狭缝宽度=80纳米，狭缝深度3360 700纳米和750纳米，狭缝深度3360450纳米，700纳米和750纳米，相移产生透镜