# 微纳光学 周张凯 微纳光学概念 周张凯：基于微纳结构产生微纳光场；研究微纳光场的相互作用规律；开发相关应用。 赵骞： 微纳尺度下光的散射与吸收——光与物质相互作用。 表面等离激元 概念【重点】 等离激元（Plasmon）是电子在外界电磁波诱导下的集体振荡。 表面等离激元指的是这种振荡形成的沿着导体界面传播的一种表面波。 *产生与传播机理 （PPT上推导了传播表面等离激元以及局域表面等离激元的色散关系，我感觉不考） 结论是：当金属的介电常数\varepsilon_m的实部等于-2\varepsilon_d（介质的介电常数）时，发生等离共振效应。 *应用 场的共振增强 表面增强拉曼散射（SERS），大幅提高拉曼光谱的强度 周张凯的旧应用：纳米阵列体系中的表面等离激元 纳米波导：利用金属纳米阵列制作纳米波导，实现高信噪比。 生化传感：基于金属纳米阵列的生化传感器，优势在于作为光学传感的高灵敏、非侵入性，以及多功能性。 双曲纳米阵列：基于各向异性材料的双曲型色散关系，实现对光场的非线性增强。可用于成像、传感、耦合等。 周张凯的新应用：表面等离激元与激子的强耦合 （物理图像大概是这俩东西通过光场发生耦合） （激子：由于吸收光子在固体中产生的可移动的束缚的电子-空穴对） 强耦合条件：Rabi频率大于腔光子和量子辐射的衰减率。 *强耦合的全量子模型：用量子二能级系统和量子场来描述腔和光场的耦合。 *研究背景：强耦合有望实现室温集成量子纠缠网络，实现百万量子比特的通用光量子计算。 *发展历程：低温强耦合研究->室温大量激子->室温单激子（周张凯）->... 超构表面与光场调控 基本原理【重点】 超构表面：二维亚波长尺度人工结构。用于调控光场的相位、振幅、偏振等自由度。 广义斯涅尔定律：$$ \sin\theta_t n_t - \sin\theta_i n_i = \frac{\lambda_0}{2\pi} \dd{\Phi}{x} $$ (这是折射定律，反射类似，略) 如果可以控制沿界面的相位梯度\dd{\Phi}{x}，就可以任意控制光的折/反射方向。 光场的完备描述：琼斯矢量、斯托克斯参量和庞加莱球（关于其物理意义的理解，可以参考yyk的C6实验报告） 基本调控机理：具有双折射效应的结构，其琼斯矩阵作用在光场的琼斯矢量上，调控光场的本质在于这个调节琼斯矩阵的6个自由度。 光场调控 相位调控【重点】 手段：目前的相位调控手段是利用纳米天线对电场的各向异性响应。相位的不连续与纳米天线的张角有关。不同的排列、材料、尺寸都会有不同的影响。 几何相位 Pancharatnam−Berry (PB) phase：如果入射圆偏光，出射取正交的圆偏振分量，则产生几何相移 $$ \Delta \phi = \pm 2\theta $$ ，\theta 是双折射光轴的偏转角。 振幅调控、相位+振幅调控、相位+振幅等 手段都是和之前说的一样，总之就是想方设法把超构表面的8个结构参数与琼斯矩阵6个系数联系起来。 应用 全息成像：直接利用超构表面生成全息图的相位分布。 结构色：调控超构表面的光谱响应，实现颜色调制。 图像集成 信息加密 动态超构表面，可以用来造显示器等 *微纳加工技术 激光3D打印技术：在原子力显微平台上，通过微流控制和电化学的方法，实现微纳金属3D结构成形。 光刻胶：光刻胶又称光致抗蚀剂，是指通过紫外光、电子束、离子束、X射线等照射或辐射，其溶解度发生变化的耐蚀剂刻薄膜材料，目前被广泛用于光电信息产业的微细图形线路加工制作环节。 紫外掩膜光刻：利用掩膜在光刻胶上曝光图案。 纳米压印技术：纳米压印技术，是通过光刻胶辅助，用机械转移的手段将模板上的微纳结构转移到待加工材料上的技术。 电子束直写工艺：无掩膜，直接用电子束聚焦在上层光刻胶上绘制图案。高分辨率，高深宽比加工；写场小，写场拼接误差，成本高。 常用到的伴随技术（本身不属于微纳加工技术）： 衬底的生长与转移：电子束蒸镀、电感耦合等离子体化学气相沉积、分子束外延、单晶硅转移 结构的刻蚀：电感耦合电离子体刻蚀、反应离子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀 *超构表面未来发展趋势 小型化、工业化、集成化 多功能开发 更多物理：非线性、拓扑 耦合模理论【几乎纯理论，可能不会考】 *背景（也许不重要，但是他整理得挺好的） 两种表面等离激元 表面等离极化激元：金属界面的表面波。 局域表面等离激元：表面波在金属颗粒上形成了驻波。 表面等离激元的应用 电场局域化：研制近场显微镜、与量子体系强耦合。 电场增强：增强光催化水解、单分子荧光增强。 介质颗粒的光学特性 非常低的欧姆损耗（在可见光波长范围内，介质材料折射率的虚部比金属材料折射率的小得多） 丰富的光学响应模式（电偶模式、磁偶模式） 介质颗粒的多模多级干涉 增强向后散射（实现对光场的控制）： 电偶模式 + 磁偶模式 = 单向性散射 抑制远场散射（让光场更高效）： 电偶模式 + 环形磁偶模式 = anapole模式 对环境十分敏感（研制传感器）： 离散态 + 连续态 = Fano共振 极大降低损耗（让光场更高效）： Mie模式 + Fabry-Perot模式 = 连续体中的束缚态 介质颗粒的光学应用 非经典多光子干涉 光学拓扑绝缘体 超透镜 非线性增强 微纳光学领域的挑战 实验上 制作出更小尺寸 理论上 适用于更小尺寸 *时域有限差分法 FDTD（数值仿真） 网格化求解麦克斯韦方程 *Mie理论（理论解析） 求解德拜势满足的微分方程（可以用分离变量法） 用德拜势算散射场 也可以算出散射球体的消光界面、散射截面、吸收截面 时域耦合模理论（理论解析） 物理图像 对于一个与外界有m个通道相互作用的光学共振体，共振模式振幅a的动力学方程可以写成 $$ \dot{a} = J * a + s $$ 右边第一项的系数 J 包含实部和虚部，虚部控制振荡，实部控制耗散，右边第二项是非齐次项，表示外界通道提供的励激源 这个动力学方程与有源 RLC 电路的动力学方程在形式上是一致的，可以类比地来理解其物理图像 *几种模型的计算结果 非对称光子晶体平板（上下2通道）：有几个很尖锐的反射峰 对称光子晶体+无限大衬底（一侧是单通道，衬底提供多通道） 单颗粒 带衬底颗粒（真空是单通道；金属衬底无通道；介质衬底提供耗散通道；介质+金属衬底提供耗散+反射通道） *应用 球壳结构的超散射 光栅结构的角度调控 太阳能电池的光吸收极限 碳化硅结构的热整流