纳米光子学

1第二章纳光子学的基础知识目的：本章介绍纳米光子学的基础知识，以有助于掌握后面八章各纳米光子学专题的内容。内容：首先比较电子和光子的异同。之后分别介绍纳米尺度的光子和电子的行为。最后小节。2光子和电子的异同电子晶体光子晶体3一般激光器波长范围在紫外（~300nm)到红外，波长在数百纳米到十微米以上4电子的德布罗意波长：?=h/p=h/(2mE)1/2=(150/V)1/2?如果E=100—10KeV,则?~1.2—0.12?或?~0.12—0.012nmAnimportantconsequencederivedfromthisfeatureisthat“size”or“confinement”effectsforphotonstakeplaceatlargersizescalesthanthoseforelectrons.5光子电子本征方程：麦克斯韦方程薛定谔方程本征函数：电（磁）场振幅波函数本征值：(?/c0)2Ec=c0/n=c0/?1/2反映了介质中可以存在的光子或电子的能量6光子电子传播媒介中的势能：介电系数（折射率）库仑互作用E=E0ei(wt-kx)=E0ei[wt-nwx/c0]-?wx/c0复折射率的实部引起色散，虚部引起吸收。e—ee—i7光子电子偏振性：矢量场S=E?H标量场统计性质：波色子费米子自由空间中的色散关系：w=ckE=h2k2/2m8光子电子光子和电子的限制效应：各种限制n1n2微米，亚微米纳米9光子电子光子和电子的限制效应：场分布Confinementproducescertaindiscretesetsoffielddistributionscalledeigenmodes,whicharelabeledbyquantumintegernumbers.n1n2228/)12(mlhnE???Lcm/)(???????（一维谐振腔）10光子电子光子和电子的限制效应：穿透深度?=?1/(2???sin2?-n212)全反射，从介质1深入介质2，~50-100nmforvisiblelight?=?2/???从介质深入导体，103-4nmfor?=100MHzn1n2?=1/?2m(U0-E)/h2从自由空间深入介质中（势垒为U0）,一般~10-1nm量级场强均随着深度的深入而呈现指数衰减，其特征长度即为穿透深度——参阅《光学》和《量子力学》。11光子电子光子和电子的限制效应：隧穿效应n1n212光子电子周期性势场产生的带隙（1）光子晶体电子晶体（半导体晶体）原子（离子）镶嵌在折射率为n2基体中的折射率为n1的、呈周期性排列的小球，n1,n2的差别要大。一种光栅！13光子电子周期性势场产生的带隙（2）直接带隙晶体，如：GaAs,InP间接隙晶体，如：Si,Ge,GaP光子晶体带隙半导体发光光线的局域14光子协同效应(cooperativeeffect)指的是多粒子之间的相互作用非线性光学互作用：二次谐波产生（SHG)三倍频效应（THG)光学混频（和频产生、差频产生…）双光子吸收电光Pockels效应（直流，或低频）光Kerr效应、电光Kerr效应、磁光Kerr效应等等。。。——参阅《非线性光学》0?15电子多体关联效应超导体中的Cooper对双激子形成等等。。。描写单电子运动的哈特利—福克方程——参阅《固体理论》激子Bohr半径库仑势交换-关联势16纳米尺度的光学作用17轴向纳米局域损耗波（隐失波，evanescentwave)沿着n1、n2介质的界面传播，而在与界面垂直方向光强呈指数衰减的波。inthecasesof光波导，全内反射?=?1/(2???sin2?-n212)，——由费涅尔公式全反射，从介质1深入介质2，~50-100nmforvisiblelight18应用举例：光通讯用信号开关荧光标示生物样品成像19金属/介质界面的表面等离子共振（SPR)?=?2/???,从介质深入导体损耗波引发的SPR——减损全反射（ATR)测量p-polarizedlaser20通过实验数据拟合，就可得到电介质薄膜（如p-4-BCMU)的厚度和折射率thestrengthoftheevanescentfieldinthedielectricabovethemetalisoneorderofmagnitudehigherthanthatinatypicalevanescentsource.——由此可有效激发非线性光学过程（第五章）21侧向纳米局域近场扫描光学显微镜near-fieldscanningopticalmicroscope,SNOM（第四章）22纳米尺度的电子互作用第三章第六章23?NewCooperativeTransitions电荷传递：acceptor,A+donor,D-激态二聚物：A*+B(A*B)其发光对周围环境敏感，可用于生物环境探测稀土离子对的能量上转换（up-conversion）：激发吸收能级24?NanoscaleElectronicEnergyTransfer3+价轻稀土掺杂增强硅纳米晶发光（FRET）：RE敏化剂硅纳米晶激子传递：25?CooperativeEmission稀土离子对在被激发后，由于离子间的互作用，将通过一虚态产生能量更高的光子。同以上的一个例子类似。26小结光子和电子的比较；纳米尺度的光学作用；纳米尺度的电子互作用。具体概念部分，请参阅p.37-38的小结。参考书：《量子力学》，《电动力学》《固体物理（理论）》，《光学》，《非线性光学》