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纳米光子学
何为纳米光子学?

最近我们经常听到“纳”这个字。“纳”是一个前缀,其含义为总量的十亿分之一。顾名思义,“纳米”表示一米的十亿分之一或者一毫米的百万分之一。这个术语有助于我们处理那些尺寸像纳米般、很难想象多微小的物质。而在纳级微小尺寸上发现的很多条性质正吸引着大量对不同光谱学领域上“纳”的关注。

滨松光子在对光的处理上,既把光看为粒子又把光看为波。光具有波动性,波长是表达波的长度的物理量。以波长来看,人眼可以看到的波的波长在大约400nm到800nm之间。如果我们把光辐射到比该光波长还小的物体上,或者说,把光照在纳级尺寸的物体上,那么该光将和辐射到正常尺寸上的光的行为具有完全不同的现象。

在滨松,我们把光在比光波长小的尺寸上的行为称为“纳米光子学”,希望通过揭示目前未知光世界的秘密,促进不同领域的进展。

纳级微粒的尺寸
倏逝光

可见光、紫外光、红外光以及X射线有着不同的颜色和性质,然而他们显然是同样类型的光,只是因波长不同而不同。然而,如果我们看一看纳级世界,会发现我们看到的奇异的光的世界与平常我们熟悉的光的世界有一些不同。

非传播光(倐逝光)

人眼感受到的光形成图像。当物体发射光、反射光或者散射光进入人眼,我们就看到了物体。然而,当我们开始更深入地思考微小尺寸世界的光现象时,情况就开始改变。思考一下,当光照射到比光波长小的微粒上时,会发生什么?光会因微粒而发生散射,以更宽的角度向外传播出去。但是却有一些光被域于微粒半径的区域内,这些在微粒周围存在的光不是传播或运动类型的光,因此我们不会用人眼了解到这些光。这叫做倐逝光。相反,那些在我们周围陆离变换的普通光称为传播光。


倐逝光概念图
域于一定地点的倐逝光?超过衍射极限

倐逝光只在大概物体半径那么大的范围内存在,因此显示了不同的品质。传播光可以通过透镜汇聚,但是严格地说,不能汇聚到一点。传播光与波有相同的行为,都倾向于变宽,因此不能够汇集到比其波长小的位置内,该限制称为衍射极限。另一方面,倐逝光是非传播光,所以,正如上文提到的发射到粒子上的倐逝光,可以在接近粒子半径的范围内形成局部光,即使粒子尺寸比光波长小很多。倐逝光局部化得范围只与粒子尺寸有关,而与光波长无关,所以逻辑上说,倐逝光可以说是没有衍射极限的。尽管应用传播光的光学显微镜的图像分辨率被限制在衍射极限内,倐逝光可以超越该衍射极限,在某些点聚集。所以倐逝光可以应用在近场光学显微镜,用于观测尺寸比光波长小的材料。近场光学显微镜被证明是一种探索纳米光子学领域的强有力地工具。


衍射极限概念图。
光不可以通过比其波长更短的部分。换言之,在一点上汇聚光是有极限的。
除了超越衍射极限外,倏逝光还会有更多的应用:用于波长转化?滨松光子的挑战之一

实验图

颜料发出可见光时的状态

然而,倐逝光并不止于超越衍射极限。相反,它有更多更好的特性。提取这些性质会有助于找到倐逝光的真正应用。尽管倐逝光尺寸如此的小,甚至超过了衍射极限,但是它同样具有能量,因为倐逝光也是光,而且可以将这种能量作用在物体上。通过应用这些特性,我们正在试图挑战下一个倐逝光前沿:波长转换。

我们尝试过将通常不会被染料吸收的长波长(红外)传输光辐射到微粒状的染料上(纳米染料)。通常,除非光子能量足够大,光不会被染料吸收,因此不可能观察到染料发光的现象。然而在该实验中,用红外照射染料引起了比入射红外光波长短的光发射(可见光发射)。这意味着由长波长到短波长的波长转换在染料种实现了。 光子能量与波长倒数成正比,所以该现象成功地把低能长波长光转换为高能短波长光。

那么,长波长光入射,短波长光发射是如何做到的呢?答案在倐逝光中。现在让我们在纳米级别上试着获得该现象。该情况下,红外辐射引起在纳米染料附近倐逝光辐射,这些倐逝光被周围区域的其他纳米染料吸收,然后再被该区域以染料发光的形式发射。

那为什么只有倐逝光才能被染料吸收,尽管我们辐射的是基本不被吸收的光(也就是低光子能的光)?


波长转换概念图

传输光在某一波长为周期而波动。然而倐逝光被局域在粒子化的染料附近。当作为倐逝光的光源的纳米染料比波长还小时,会形成电场,该电场会发生比波长周期快的快速空间扰动。由于该效应,纳米染料内的原子并不是一致地感受到电场,原子的震动在某些点变大,某些点变小。这引起了原子变形,产生被称为晶格震动的能量(声子)。

传输光在某一波长为周期而波动。然而倐逝光被局域在粒子化的染料附近。当作为倐逝光的光源的纳米染料比波长还小时,会形成电场,该电场会发生比波长周期快的快速空间扰动。由于该效应,纳米染料内的原子并不是一致地感受到电场,原子的震动在某些点变大,某些点变小。这引起了原子变形,产生被称为晶格震动的能量(声子)。

震动等同于能量,所以我们可以说一种热能传输正在发生。该能量添加在原来光的光子能量上,最终达到了允许光吸收所需要的能量。 该热能是从一个限制染料范围的宏观区域内获得的,所以即使在倐逝光产生的微观区域内不适用能量守恒定律,在整体上,能量守恒定律依然符合。处理这种奇特能量交换的奇异世界,就是由倐逝光引起的。

该波长转换技术应用了一种崭新的光物质反应,有希望成为一种提供极高自由度波长转换的方法,这用传统光是不可能实现的。 未来将该红外转可见光技术和硅探测器结合,可能开发出一种尽管对红外波段不灵敏,却能够探测红外光的硅探测器。 通过Ohtsu大学和东京大学的联合研究,已经获得了用倐逝光进行波长转换的研究成果。


传播光与倏逝光对比(电场分布)

传播光与倏逝光对比
等离子体激元学
在教堂等地方,我们可以看到着色的玻璃的图像。这些图像形象地显示了红蓝绿的阵列,但是那些制作这些玻璃的工匠在不知不觉中运用了称为“等离子体振子”的性质。这些性质是一种纳米世界光的独特性质。目前的研究正在逐渐揭示等离子体振子的性质,并将它们应用于化学探测器或生物探测器等。其他潜在应用有诸如癌症治疗和计算机芯片内的光传输等。
着色玻璃中红色的真相
那些我们看到的着色玻璃图像实际上在玻璃中包含着金属粒子。玻璃种掺杂不同种类的金属会显示不同的颜色, 比如红色,蓝色和绿色。在这些颜色中,着色玻璃最吸引眼球的是红色。然而,玻璃中掺杂的金属实际上是金。
为什么金的颜色看起来是红色的呢?

金属微粒中等离子体振子共振
电子摇摆和震动的状态称为等离子体振子,当光射入金属微粒时,等离子体振子内的电场
会发生扰动。偏置电子在金属表面形成了一个很强的电场。

当然,当光照射到金属块上时,依然是金的颜色。但是,这些微粒都是非常小的纳米级微粒,那么在这些纳米微粒上照射光时,就改变了微粒的状态。我们思考一下当光照射着色玻璃中的金属微粒时,会发生什么。

光的电场分量如式(*2),可以影响金属中自由电子的运动。光照射金属微粒会引起金的电子振动,然后形成聚集电子的波浪。这是一种振动状态,电子前后运动。或者换言之,是一种带有电荷的微粒在四处飞动的状态。这形成了一种等离子体状态,叫做等离子体振子。当物质是金属微粒时,该状态仅存在于物质的表面,故称为表面等离子体振子。

而且,在某种条件下,该等离子体振子还可能与光振动发生共振。当共振发生时,光能被金属吸收。我们也可以说光能转换进了等离子体振子能。在着色玻璃红色的情形下,并不是所有的入射光都发生共振而被吸收。其RGB分量中只有G(绿色)分量与金内的电子共振而被吸收。B(蓝色)分量在此时发生散射,只剩下R(红色)分量通过。 这就是掺杂金的着色玻璃看起来是红色的原因。


当光照射金块时,黄色加上金属的光泽是我们看到的金色。

当光照射金的纳米微粒时,只有红色被反射或通过。

并不是每种光都可以使上文中描述的物质内等离子体振子由于光引起的共振发生。该共振只有在某特定波长的光下才能发生。该现象称为等离子体振子共振。
*2:光遵循麦克斯韦方程组。因此光是随时间振动的电场分量和磁场分量的组合。

等离子体振子共振的应用

两个微粒之间的等离子体振子共振
由于两个微粒之间的微小距离,在两者之间产生了非常强的电场。

等离子体振子态和等离子体振子共振(金属微粒内的电子团和光发生共振)都发生在金属的表面。所以此时金属表面由于偏置的自由电子的作用而产生了很强的电场。

而且,当等离子体振子共振发生在两个交叠的金属微粒之间时,两微粒之间会形成超强的电场。目前已经设计并实际生产了许多种应用该超强电场的传感器。 在这里我们介绍一种探测器,用于探测拉曼散射的产品。


表面增强拉曼散射概念图

纳米金微粒的有机分子吸收成像以及表面增强拉曼谱
该技术加强了原子的雷曼散射。这些原子被吸收在金、银、铜等的金属表面,这些金属在纳米到微米级别有着超精细的结构。 1):直接将激光束施加到物质上的探测结果:拉曼光输出轻度很低,不能识别物质。
2):如果即使把金微粒分散开,也不能看到目标。
3):如果金微粒散开,放在物质内:被电场增强的拉曼光被输出。

当用光照射某种物质,该物质会散射一种称为拉曼光的光,拉曼光波长或者频率与原照射光的波长有微小的不同。该现象被称为拉曼散射。频率的不同或改变是由组成该物质的原子的自然频率引起的。所以,探测拉曼光、分析拉曼谱可以识别物质。

拉曼光通常都非常微弱,直接探测其强度是非常困难的。然而,将激光照射在诸如金等的金属上,特意产生等离子体振子共振,应用共振引起的强电场*3可以增强雷曼光到非常容易探测的强度。 该方法目前甚至可以探测单原子。
*3:拉曼光的强度与光电场能量的四次方成正比。如果电场强度被表面等离子体振子共振增强了十倍,那么拉曼光则被增强了104倍,其强度变为之前的10000倍。 该使用该方法,表面等离子体振子共振引起的强电场极大地增强了拉曼光的强度。

超越衍射极限,将光搬运到小范围内

表面等离子体振子概念图

表面等离子体振子是一种倐逝光。当光入射到比光波长小的物质上,会在物质表面产生倐逝光。倐逝光的特殊之处在于其不通过自由空间传播。倐逝光不像传播光那样在自由空间中来回传播,其超越了衍射极限(*4),可以被局限在某一空间中,不管该空间有多小。

表面等离子体振子包括“本地表面等离子体振子”,即不会从一点传播到另一点,但是能够在精细金属微粒表面累积;还包括“传播表面等离子体振子”,即在金属表面传播的振荡波,其原因是光与金属表面的自由电子的振荡相耦合。

*4:传播光由于其波状的属性而易于传播出去,所以其也不能够汇集在比波长小的区域内。衍射极限即指此极限。


应用于波长滤波器
表面等离子体振子允许比光波长小的某特殊波长的光传输(类似于光的反常传输
(anomalous transmission of light))。

波长滤波器概念图
等离子体振子的激发与孔的周期和直径相关,这两项参数用于改变允许通过的光波长。

波长传输谱的仿真
只传输蓝、绿、红光

1):不论空间多小,都能限制光
2):通过改变金属微粒结构来自由传输光

以上例子所示的特性被应用于波长过滤器。普通光不能超越衍射极限因此不能够通过比波长还小的超精细孔。然而,通过一定工艺,传播光引发表面等离子体振子,再通过表面等离子体振子穿过超精细孔然后通过表面等离子体振子返回为传输光, 那么,本来不能通过超精细孔的光通过这个令人意外的光传输现象而通过了。

表面等离子体振子发生的波长是由被光照射的金属结构决定的,所以通过按需改变超精细孔的尺寸,我们可以制造出仅仅使特定波长有效通过的波长过滤器。通过真正实现这种波长过滤器, 并且与光电二极管阵列结合,我们认为我们可以制造出具有分光镜功能的光探测器。
通过光照射在特殊结构上激发的传播型表面等离子体振子,光可以被导入比光波长小的纳米区域。通过改变金属结构,等离子体振子波可以按需自由控制,而且等离子体振子可以通过金属表面的狭窄孔径,所以光能被集中在在金属表面形成的极小的孔径上(等离子体振子透镜),如图所示。


等离子体振子透镜概念图
光子晶体

猫眼石以彩虹的颜色不停闪烁,永不消退;宝石杵闪烁着诱人的光辉。这些都是自然界存在的光学晶体的例子。这些材料本身都没有颜色染料,而是根据其周期性的折射率结构而反射某些颜色,放射其他颜色。 作为一种能够排除光或者限制光的材料,光学晶体有希望打开宽广的光学器件类应用的大门。


改图上部分为天然宝石杵,下部为应用光子晶体人工制造的宝石杵
自由地控制光

光学晶体作为可以按需自由控制光的主要材料,近期颇受关注。光学晶体是结构尺寸和光波长(几百纳米)差不多的结构,用纳米技术制造。这些结构被周期性地排列在有着不同折射率的物质上。当光所照射的光学晶体沿着周期性方向有着几乎和光波长一样的周期性结构时,光被完全反射,不能穿入光学晶体(图1-1)。当光学晶体内部有光源时,则光与光学晶体产生共振,被限制在内部(图1-2)。以一个方向周期性排列的光学晶体叫做一维光学晶体。其他还包括二维光学晶体和三维光学晶体。


三维光子晶体结构示例

光子晶体特性和概念图
光子晶体原理

通过改变反射材料的折射率,对齐波长峰值,可以增强特定波长的光。如图2-1所示,光学晶体的原理是基于布拉格衍射条件的。周期性的结构界面会反射光,从界面A和界面B反射的光方向相同,但是从界面A与界面B反射的光行走的距离是不一样的。光B比光A多走了2d sinθ 2的距离,称为光程差。光的另一个性质就是当波长峰值相互重叠时,光会增强。当光程差是波长的整数倍时,反射光A和B的峰值会重叠,此时反射光会相互增强(图2-2)。换言之,布拉格衍射条件为:2 dsin θ = m λ。

基于此条件,应用光学晶体的一个关键就是调整和设计折射率的周期性结构,使特定波长的光被强烈反射。


布拉格衍射条件图
光线B比光线A多走的距离为d sinθ×2。

通过调整反射性材料的反射率,对齐波长峰值,可以增强特定波长。
光带结构

二维光子晶体的点缺陷

光学晶体使用了半导体方案。在光学晶体内,正如周期性的电势形成了电子带结构,周期性的折射率结构作为光势形成了光带结构。这种不允许光穿过的状态可以称为光介质或者光绝缘体。通过给半导体注入掺杂,允许自由控制电子运动,电和电子的世界发生了巨大进步。在光的世界,给光学晶体添加缺陷就像是给半导体添加掺杂。缺陷的意思是因偶然因素发生的坏的东西。然而,我们此处的缺陷是故意周期性放入结构的一种错误,以引起不规则的周期性。通过在结构中引入缺陷、把光传进缺陷区域、然后把光聚集在缺陷上,光被控制了。把光学晶体应用于光和光学的世界具有巨大的前景,比如全光集成光路技术(光学LSI)。