前沿光学综合(前言)

InstituteofPhotonics,UniversityofScienceandTechnologyofChina前沿光学综合——绪论近代光学的发展•光学真正广泛服务于人类是从20世纪60年代激光问世开始的。•激光一经问世就对光学及其他科学技术和社会生活产生革命性的影响。•激光器的发明不仅提供了光频波段的相干电磁波振荡源，而且对时至今日的无线电频率下的许多电子学的概念、理论和技术原则上均可延伸到光频波段，如振荡、放大、倍频、混频、参量、调制、信息处理、通信、雷达以至计算机等。60年前，光学、电子学——独立学科，由于激光的出现，现代光学：光源激光化，手段电子化，用现代电子学模式处理光学问题（如傅立叶光学）。现代电子学：处理方法光学化（如计算机并行处理）。•光子作为信息载体光子处于电磁波谱的高频段，所以可以得到更短的脉冲（实验证明，超短光脉冲已经达到阿秒(10－18秒)量级）。光子作为信息的载体突破了电子学发展的瓶颈限制，使响应时间从10-9秒提高到10-15秒，工作频率从1011赫提高到1014赫，从而使高速、大容量的信息系统得以实现。•生物技术激光能量技术把光子作为能量载体具有极为广泛的应用。•激光医疗•科学研究激光手术刀•工业制造•国防军事•光子作为能量载体光子器件与电子器件性能比较性能光子器件电子器件信息载体特性和传输方式玻色子,中性,具有时间可逆性，无空间局域性，在自由空间或光纤中传输费米子，带基本电荷，具有时间不可逆性和空间局域性，无线电波在自由空间或金属导体中传输信息处理速度⒈开关速度⒉响应时间⒊并行处理能力⒋通道传输能力10-12s-10-15s(ps-fs)光子不带电荷,传输时不产生相互作用，有高度的平行处理能力10-11s平行处理能力差光子器件与电子器件性能比较频率（频带宽度和信息容量）3×1011-6×1016Hz1000倍以上，高4~5个数量级3×108-3×1011Hz传输速度光波在真空中传输速度为光速，不受RC时间常数限制无线电波特别在金属导线传输，则受RC时间常数限制抗干扰能力无电磁干扰抗干扰能力差信息存储能力可实现三维光存储磁存储光子学在创造科学技术的顶峰项目内容最大的能量密度激光输出脉冲功率已经超过13PW=13×1015W聚焦强度达105PW/cm2可产生亿度以上的高温能焊接、加工和切割最难熔的材料最高的压强相应的电场强度可达8×1013V/cm相应的光压可达3.3×1011大气压联合高温、高压，可实现激光聚变点火最短的光脉冲在780nm已产生4飞秒脉冲，等于该波长光1.5个周期进入强场物理领域光子学在创造科学技术的顶峰最精密的刻划制造最小的光机电一体化设备加工最小光学和机械零件从微米到几十微米集成的光机电一体化系统可小到几毫米大规模集成线路的线宽已达0.18微米纳米器件和量子光学器件Lucent和IBM正在0.13微米的集成电路最终可达50nm，测量精度就更高了最大的信息量已接近3T目标通信传输容量已超过Tbit/s,三维立体存储达Tbit/cm3光子计算机速度超过电子计算机量子计算机将达到最高的计算速度光子学在创造科学技术的顶峰最保密的通信系统光量子通信是最安全的通信系统已有几个国家建立了量子保密通信试验系统就在常规的通信线路上进行量子保密通信，通信距离已达125公里最低的温度激光冷却可将原子冷到接近绝对零度量子冷却到基态，为量子光学和量子力学的实验研究准备了条件量子计算机将是计算能力最大的计算机2015国际光年2015年距离阿拉伯学者伊本•海赛姆海的五卷本光学著作诞生恰好一千年。一千年来，光的技术带给人类文明巨大的进步。1815年菲涅尔提出的光波概念、1865年麦克斯韦提出的光电磁传播理论、1905年爱因斯坦的光电效应理论和1915年通过广义相对论将光列为宇宙学的内在要素，以及1965年彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景，同年高锟提出光在纤维中的传输，以用于光学通信。2015年是光学界许多里程碑式发现发明的周年纪念。•联合国大会已经宣布2015年为国际光年，希望以此纪念千年来人类在光领域的重大发现，强调推动可持续发展、解决能源、信息、教育、农业和卫生等世界性问题的光技术的重要性•2015年国际光年已获得联合国全体成员的支持，将由国际上包括IEEE，CIE，SPIE等50个国际学术科研团体联合举办。中国光学学会也把纪念国际光年的活动列为2015年的重要议事日程。•尺度：几何光学—物理光学—纳米近场光学（远场）（近场）矩阵光学微型光学—集成光学—纳米光子学•线性光学—非线性光学•维数：体材料—波导材料（导波光学，纤维光学）（高维）（低维）(表面等离子体光学)(无序)(有序)(光子晶体)•经典光学—量子光学（电磁场用光子态波函数表示）•纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。------钱学森院士纳米光子学元器件纳米粒子（1~N）光学近场纳米光学传播波纳米粒子（N1）量子点激光器、光子晶体传统光学信号载体器件材料近场光的性质及现象受衍射极限的限制光纤传输：40Tb/s的传输速度通道：103*103的信道转换阵列光存储：1Tb/in2的存储密度纳米制造：低于100纳米的量级将来的信息处理系统衍射光学体材料微腔激光器、光波导、光学MEMS表面等离子体(SPs)亚波长光学•1998年，T.W.Ebbesen首次在Nature上报道了微孔阵列金属膜结构中的远场透过增强现象(Ebbesen效应)•2003年，Barnes和Ebbesen在Nature上发表了题为《Surfaceplasmonsubwavelengthoptics》的文章，标志着表面等离子体亚波长光学的形成。Barnesetal，Nature424:824-830(2003)•表面等离子体(SurfacePlasmons,SPs)是沿着导体(金属)表面传播的波，电磁场在垂直于金属表面方向指数衰减，局域在金属表面。•表面等离子体激元(SurfacePlasmonPolaritons,(SPPs))是光波与可迁移的表面电荷（例如金属中自由电子）之间相互作用，产生的电磁模。•通过构造金属表面结构，可改变其性质、色散关系，激发模式，耦合效应，实现对光子行为的调控。SPs的基本性质•表面空间局域特性•沿金属表面传播，电场强度沿垂直金属表面方向指数衰减。•近场能量增强特性•60nm厚银膜红光照射下增强可达2个量级。•色散关系•SPs波矢光子波矢)exp(),(0zkxkEzxEzspSP)()(22mdmdSPck|Re|1Im|Re|220mmmdlightzaEESPSPs的激发方式•波矢补偿方式:•利用全反射棱镜的介电常数补偿：Kretschmann结构(a)(b)，Otto结构(c)•SNOM探针激发(d)•光栅衍射(e)•表面缺陷衍射(f)SPs的四个特征长度参数•SPs波长λsp，可以由色散关系得到：•SPs传播距离Lsp，由SPs波矢的虚部决定2/10'2rdrdSPSPk2/320''2)(21rdrdirspSPkL201drddk201rrdmk•电介质中的穿透深度δd，决定了周围介质折射率对SPs敏感层的厚度范围•金属中的穿透深度δm，决定了SPs隧传金属膜的厚度SPs在纳米尺度光传输的优势：突破衍射极限空间维度3维2维近场能量增强特性可有效补偿结构中的光场能量•是SPPs的电磁场穿透进金属中深度，δm∽30纳米（可见光、银膜）•是SPPs的电磁场穿透进与金属紧贴的介电材料中深度，可见光波段：δdλ0，红外波段：δdλ0。•是SPPs的传播长度，要使其增长，则要求金属的介电常数具有一个大的负实部和小的虚部，即低损耗的金属材料。•是SPPs波长，小于激发光波长λmdSPPSPPSPPs的特征尺度:SPs光子学器件•基于SPs的纳米光子学器件，在近场能量传输与控制、光通讯与光计算、生物分子探测、纳米光刻、微孔激光器、LED发光增强等许多方面都有重要的应用前景。SPs纳米波导生物分子探测纳米光刻微孔激光器2013.11Chen战略研讨会25等离激元是光子和电子的协同桥梁不同器件技术的工作速度与其关键尺寸的关系图图中虚线表示不同技术的物理限度。半导体电子器件由于互连时延问题速度被限制约10GHz。电介质光子器件的尺度受衍射基本定律约束于波长（m）量级。表面等离激元可以作为光子同等速度和电子同等尺度之间的桥梁。10GSPs研究的发展方向深入研究亚波长金属结构中SPs作用的物理机理。设计光频段的亚波长尺度低损耗的纳米光子学波导和光连接器芯片，以及能和传统单模光纤相互耦合的二维表面等离子体光子学器件。设计制作可调谐高效的有机或无机LED，发展亚波长尺度的新型光源。实现对表面等离子体的动态电光、全光调制及增益放大，设计高速高灵敏度的表面等离子体光开关。深入发展大面积的亚波长表面等离子体纳米光刻技术，如“超级透镜”的高分辨率近场成像技术。实现电子学和光子学元件在纳米尺度下集成于同一芯片上。它将为新一代的光电技术开创新纪元。摘自文献（Science311:189-193,2006)光子晶体指的是一种由介电质周期性分布所形成的微结构系统，它通常具有很高的折射率对比，其周期大小一般为光波长量级。188719872-Dperiodicintwodirections3-Dperiodicinthreedirections1-Dperiodicinonedirection光子晶体概念的核心：周期光子晶体:随空间周期性变化的新型光学材料，变化周期一般为波长量级，可有效控制光子在其内部的运动特点：•周期分布结构（光波长量级）•有光子带隙，可使特定波长的光通过•1991年，Russell等人根据光子晶体传光原理首次提出了光子晶体光纤（PCF）的概念。•1996年，英国南安普顿大学的J.C.Knight等人研制出世界上第一根PCF，之后在光纤通信等光学研究领域中，PCF引起了全世界的普遍兴趣。•光子晶体光纤是一种基于光子晶体的新型光学光纤.能将光束缚在空芯或者说具备普通的光纤不具备的光束缚性,此名词是由PhillipRussell于1995-1997提出地,还有一些其他的叫法比如微结构光纤,光子带隙光纤,多孔光纤(holeyfiber).光子晶体光纤•宽频带的单模性质对于标准阶梯型光纤，允许的导模数量取决于归一化频率参量V,当V2.405时，光纤才是单模的。普通光纤存在截止波长，只有当传输光的波长大于截止波长时才有可能实现单模传输。光子晶体光纤不存在截止波长。用有效折射率模型可以很好的解释这一现象，我们定义有效折射率为包层的、以光强分布为权重的平均折射率，于是在光子晶体光纤中一般波长越短，场分布越趋于折射率较高的区域，这就意味着增加了有效折射率，从而扩展了单模传输带宽PCF的特性•不同寻常的色散真空中材料色散为零,空气中的材料色散也非常小。使得空气芯PCF的色散非常特殊。由于光纤设计很灵活只要改变孔径与孔间距之比,即可达到很大的波导色散,还可使光纤总色度色散达到所希望的分布状态。如零色散波长可移到短波长,从而导致在短波长实现光弧子传输;具有优良性质的色散平坦光纤(数百nm带宽范围接近零色散);各种非线性器件以及色散补偿光纤(可达2000ps/nm·km)都应运而生。PCF的特性•高双折射现象普通光纤具有一些小扭转、弯曲、拉伸等不可控因素导致的不可控双折射，但一般不支持偏振模。它们要取得双折射的方式主要有两种：一是使截面非圆形；二是使光纤本身材料具有双折射。这两种方式在技术上都较难实现。光子晶体光纤中可以轻易实现高双折射，我们只需要破坏光子晶体光纤截面的圆对称性使其成为二维结构即可，比如：去除某些空气孔或改变空气孔的尺寸PCF的特性•减少非线性效应普通光纤中出现的非线性效应是由于光纤的单位面积上传输的光强过大造