第1讲-纳米光学介绍

2013/12/161第一讲:课程介绍董国艳中国科学院大学材料科学与光电技术学院纳米光学(Nano-Optics)研究生课程2本讲内容1.关于此课程2.纳米光学介绍2.1信息时代的光子学?2.2什么是纳米光学?2.3为什么研究纳米光学?2.4此课程中你将学到纳米光学的什么内容？2.5纳米光学事例2.6纳米光学应用2013/12/16231.关于此课程教师:董国艳OfficeHour时间：周一10：00－12：00OfficeHour地点：学2-305OfficeHour周次：2013年秋季学期16-202014年春季学期1-5电话：69671744电子邮件：[e-mail]4时间和地点每周一、三早上8:30~10:10，教1-113课次:20-1次成绩:30%作业+70%考试讲义下载信息门户——课程网站中下载此课程目的:熟悉纳米光学的基本理论，了解其目前和将来的应用及科技发展的地位和作用，至少知道怎样思考和寻找相关知识信息。1.关于此课程学习方法：上课+作业+学习报告+考试2013/12/1635课程参考资料:基本原理:PrinciplesofNano-Optics,LukasNovotnyandBertHecht(CambridgeUniversityPress,2006).Nanophotonics,ParasN.Prasad(Wiley-Interscience,2004).近场光学:NearFieldOptics,byDieterW.PohlandDanielCorjon(KluwerAcademic,1993).Near-fieldMicroscopyandNear-fieldOptics,byDanielCourjon(InperialCollegePress,2003).等离子体:Plasmonics:FundamentalsandApplications,StefanA.Maier(Springer,2007).SurfacePlasmonsonSmoothandRoughSurfacesandonGratings,HeinzRaether(Springer,1988).超材料:ElectromagneticMetamaterials:PhysicsandEngineeringExplorations,NaderEnghetaandRichardWZiolkowski(Wiley-IEEEPress,2006).亚波长光栅:DiffractionGratingsandApplications,E.G.LoewenandE.Popov(MarcelDekker,1997).1.关于此课程光子晶体:PhotonicCrystals:MoldingtheFlowofLight(Joannopoulos,J.D,)6考核内容:课后作业研究2-3篇近期发表的关于纳米光学的文章，写一篇科研报告（影响因子3.0，不少于2000字，截止日期2014.3.10前）期末考试如果有问题，你可以……发邮件打电话答疑时间访问我的办公室1.关于此课程2013/12/16472.1信息时代的光子学2.2什么是纳米光学?2.3为什么研究纳米光学?2.4此课程中你将学到纳米光学的什么内容？2.5纳米光学实例2.6纳米光学应用2.纳米光学介绍8你知道吗？…金子是什么颜色?金子小颗粒又是什么颜色(nmsize)?2013/12/1659Nano–炒作还是未来?hype:炒作10我们谈论的尺寸是多少?纳米到底有多小?2013/12/166111m10cm1cm100μm1μm理解纳米尺寸1nm10μm12Pm2.5相当于头发直径的1/20PM2.52.5m2013/12/16713nanoworld14电磁波的分布2013/12/168151光年=9.46×1015m（光年）1PM=1×1015m（拍米）1Mm=1×106m（兆米）1km=1×103m（千米）1dm=1×10-1m（分米）1cm=1×10-2m（厘米）1mm=1×10-3m（毫米）1dmm=1×10-4m（丝米）1cmm=1×10-5m（忽米）1μm=1×10-6m（微米）1nm=1×10-9m（纳米）1pm=1×10-12m（皮米）1fm=1×10-15m（飞米）1am=1×10-18m（阿米）1里=150丈=500米2里=1公里（1000米）1丈=10尺1尺=10寸1丈=3.33米1尺=3.33分米1寸=3.33厘米1millimetre米=0.03937inch英寸1centimetre厘米=10mm=0.3937inch英寸1decimetre分米=10cm=3.937inches英寸1metre米=1.0936yards码=3.2808feet英尺1decametre十米=10m=10.936yards码1hectometre百米=100m=109.4yards码1kilometre千米=1000m=0.6214mile英里1milemarin海里=1852m=1.1500mile英里长度单位换算表16纳米科学与技术的分支2013/12/16917光子学与电子学发展以上图表取自：刘颂豪/李淳飞主编《光子学技术与应用》，广东科技出版社，200618电子和光子的主要属性属性光子电子共同点都是具有波粒二像性的基本粒子质量09.110-31Kg统计学性质波色子(自旋1)费米子(自旋1/2)频率500THz10MHz—10GHz能量2ev40nev—40pev传输损失低（光纤中）高（铜线中）粒子相互作用无（低）高电荷01.610-16C2013/12/161019光子器件与电子器件性能比较19性能光子器件电子器件信息载体特性和传输方式电中性,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（开关速度/响应时间）并行处理能力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20光子器件与电子器件性能比较20频率（带宽和信息容量）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，在光纤中传输速度接近光速无线电波在金属导线传输，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2013/12/161121nanoworld当宏观物体减小到纳米尺度时，由于出现明显的表面效应、尺寸效应和量子效应等，将显示出在光学、热学、电学、磁学、力学以及化学等方面与大体积物体明显不同的特性。22微观机理上来看，多数情况关注的是光子与电子的相互作用。理论上Maxwell方程和薛定谔方程已经足够用于描述大多数光与材料的相互作用，但由于光学介观（纳米）结构的特征尺寸介于光的波长和原子尺寸之间，既不能像分立原子那样简单对待，也不能像宏观情况一样忽略倏逝场和量子效应，还需要考虑原子尺度上较少涉及的电磁场的传播等情况，尺寸效应使得材料介电常数等物理量不再是常数，而与结构的形状、尺寸等参数有关。2013/12/161223•mm–重力,摩擦力,静电力•μm–静电力,范德华力,布朗力•nm–静电力,范德华力,布朗力,量子力学•Å–量子力学在纳米尺度导致一些反常的物理性质物理效应并不是随尺寸减小均匀变化的实例:不同尺寸的作用力-gravity•cm–重力,摩擦力-Brownian-quantumgravity:重力，friction:摩擦力，electrostatic:静电力，vanderwaals:范德华力，Brownian:布朗力24光源的问题•1905年爱因斯坦并提出了光子的概念，当光作用于物质时，光是以“光子”作为最小单位进行的，能量单位是h。•1960年激光的发明，激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍•激光提供了单色性很好的光源。E1E212EEhhhh2013/12/161325光子学（Photonics）定义：光与物质相互作用的科学和工程举例:红宝石中的光与电子相互作用的研究导致第一台激光器的产生。rubycrystal:红宝石晶体•包含传统光学、现代光学、光电子学和微光学在内的宽广领域统称为光子学26随着纳米技术在光电功能材料、光化学和生物医学光子学等方面的迅速发展，向纳米光学元件方向拓展，逐渐涉及光发射、吸收、光电转换等非线性过程，拓展为纳米光子学纳米光子学光子学纳米技术＋纳米光子技术＋纳米光子工程纳米光子产业2013/12/161427AworkingdefinitionbyNationalAcademyofScience,USA举例:纳米金颗粒&哥特式彩色玻璃的颜色原因:金属纳米颗粒的表面等离子体谐振纳米光子学:在纳米尺度上光与物质相互作用的科学和工程，这种相互作用是通过自然或人工纳米材料的物理、化学或结构性质来调控的。colloid:凝胶，Gothicstainedglass:哥特式彩色玻璃，surfaceplasmonresonance:表面等离子体共振2.2什么是纳米光学?28BronzeAge:青铜时代，metamaterials:超材料2.3为什么研究纳米光学?人类历史的主要进步往往都与物质有关石器时代?超材料?青铜时代人们认识到如何利用自然界物质现在科学家可以设计出具有新功能的纳米结构材料。铁器时代硅时代(信息时代)现代科技2013/12/161529是否可以设计出具有新的光学性质的纳米材料？为什么一定是纳米?有什么实际意义?让我们来看看实例是的!(否则我们也不可能学习这门课了^_^)当结构达到光波长或更小的尺寸时，神奇的事情将要发生。这门课中,我们将学习这些事情是什么，又是怎样发生的。30摩尔定律Moore’sLaw“集成电路芯片上所集成的晶体管的数目，每隔18个月至24个月就将会翻一番。”2017年10亿芯片集成度1965年一个硅芯片只集成30个晶体管。但硅技术的极限也很明显，因为最小的互联芯片的导线也必须在径向至少有100个原子。摩尔定律延续下去已成为一个挑战。最根本的挑战来自接近原子尺度时物质物理行为的变化。2013/12/161631未来对电子学的挑战:J.D.Meindletal.IBMJ.Res.&Dev.46,245(2002)电器中的RC效应→延迟时间长于信号飞行时间光学中:电光转换~光信号的飞行时间(~5ps)transistor:晶体管32未来信息技术解决方案——光互接(opticalinterconnects)优点:信息量大、宽带、高速传输、保密性、抗干扰、尺寸小重力轻、无辐射、适应性强、寿命长等光纤:长距离通信opticalinterconnect:光互连，bandwidth:带宽，opticalfiber:光纤2013/12/161733machine-to-machineboard-to-boardchip-to-chipchipscaleboard:电路板，chip:芯片34集成光学中主板上的光互联高折射率低折射率Siintegratedoptics:集成光学，highindex:高折射率•器件响应和系统处理速度快•光开关器件响应时间最快达到10-15s即飞秒(fs)量级。•利用多重波长和并行互联及并行处理可实现光互联。•由于光可以进行并行处理，没有阻抗匹配和没有必要布线回路，故可进行高速信号处理等。2013/12/161835D22.1R610.0sin1两光源发出的光线对透镜光心的夹角Δθ称为最小分辨角艾里斑角半径衍射极限36但是，对微型化有限制吗？还有更小吗?镜头光纤光子晶体尺寸减小…衍射极限!!!~λminiaturization:微型化，diffra