什么是纳米光子？

纳米光子学（又称纳米光学）是对纳米尺度（十亿分之一米）光-物质相互作用的研究，其涵盖光学、光学工程、电气工程和纳米技术等学科。

最重要的是，这些相互作用发生在比光波长还小的尺寸上，通常发生在 1~100 纳米（nm）范围内，在这种情况下，独特的光学属性就会变得明显，而这些属性在更大的尺度上是不存在的。

因此，纳米光子学涉及到一系列各种辐射-物质相互作用，其范围远远超出了光的衍射极限——即应用于电磁频谱（300纳米~1200纳米）的近红外（IR）区域、可见区域和紫外线（UV）区域，因而为光采集、显示技术、光学传感、非线性光学以及数据传输等领域带来了大量契机。

努力推动纳米光子知识领域发展的物理学家、工程师和材料科学家专注于探索光与纳米结构的相互作用，如金属纳米粒子、碳纳米管、半导体量子点、光子晶体和有机组织（如DNA）等，其主要目标是开发纳米光子器件以实现光的高效控制。

人类一直在尝试操纵光的属性，这绝非现代才出现的行为，而是已有数百年的历史。例如，中世纪教堂彩色玻璃窗户的可调颜色，就归功于在玻璃中添加我们如今所知的金属纳米粒子。

在当今时代，人类发现了控制各种光特征（包括光的振幅、相位、极化和位置等）的巧妙办法，这为光电、光学通信以及太阳能收集等研究领域开辟了振奋人心的道路。

然而，纳米光子学在过去20年才成为一门独特的学科，其背后的推动力量是新型金属、电介质和半导体纳米材料的迅猛发展。

这些材料极具吸引力，因为在它们与现代机器学习、仿真及计算工具相结合时，能够以接近原子的精度在所有维度上进行装配。此外，工程师还能够利用制造半导体器件的相同方法，从而使开发更具成本效益。

得益于以上因素，纳米光子学推动了以下各领域的创新：

• 太阳能电池技术。纳米光子学有助于制造在广泛太阳能光谱范围内显示强大吸收特征的金属纳米粒子，从而可在缩小器件尺寸的同时，提高光捕获效率
• 超透镜技术。不仅可实现前所未有的光聚焦和极化水平，还可实现器件微型化，带来前景广阔的光谱学及传感应用
• 医疗光子学。为检测、预防和治疗疾病实现超快光调制，从而可实现远程、非侵入式诊断和治疗
• 光学计算。提供微能耗的超快信息处理

在高速数据传输中，现有的铜线会随电路长度的增加而出现信号衰减现象。

而在基于光子的电路中，光子运行速度很快，与电子相当，但其能耗显著降低，因此可提供一种前景广阔的替代方案。例如，在任务关键型数据中心，光子电路有望将传输线从数百米缩短至几米。

在衍射极限之外，我们还可以使用新方法将光约束在纳米尺度，例如在金属表面和结构周围形成表面等离子体极化激元（即受约束的电磁辐射）。

纳米光子学专门研究单光子与纳米结构的相互作用，其中电磁辐射被限制在纳米尺度范围内，从而产生场增强效应。上述相互作用会产生新的光学现象，其可用于设计可按纳米尺度交换、存储、传输光的光子器件，显示出超越经典力学极限的卓越特征。

尽管如此，在纳米级尺度处理光-物质相互作用，仍然具有巨大挑战，因此需要开发新的材料、结构和工艺。

能量定位和非线性相互作用是影响纳米尺度光生成的关键原理，例如光致发光、电致发光、荧光和拉曼散射等自发辐射过程。

光谐振器通过增强电磁场来增强这些相互作用。具体而言，等离子体纳米腔可为开发基于辐射的传感技术提供高效的谐振器。在非线性光学应用中，显示出弱非线性响应的金属，需要通过应用光学泵浦或激光器进行高强度激发，以提高非线性度。

为了控制辐射强度，可使用集成光子腔来增强光学泵浦的表现，也可部署等离子体纳米结构来实现高度局域化的能量密度。准二维表面等离子体可提供显著提高的场强增强和局域化（在20nm的限制范围内超过10⁷），从而实现二阶谐波生成（SHG），其非常适用于高分辨率传感与成像。

对光子纳米结构的研究是纳米光子学的发展驱动力，其促进了纳米医学、光学诊断、遥感、生物技术、生物材料和太阳能电池等领域应用的发展。

纳米光子的约束方法

研究人员会使用以下三种方法之一，将光-物质相互作用限制在纳米尺度范围：

1. 将光限制在远低于光衍射极限的范围内
2. 限制物质
3. 通过光化学或光致相变（PIPT）进行限制

就物质而言，使用不同方法可产生不同的奇异结构，比如纳米聚合物（具有尺寸相关光学属性的纳米级低聚物），以及具有独特电子和光子属性的纳米粒子等。

例如，在等离子体中，金属纳米粒子具有增强的电磁场，可显示独特的属性，例如，可以吸收两个红外光子并将其转换为可见的紫外光子。

另外，光子晶体是一种介电结构，其以与光波长相当的长度周期性地重复。此外，纳米复合材料由不同材料的相位隔离域形成，用于光学通信。

纳米光子的限制效应

研究人员会使用各种限制几何结构，包括：

• 轴向定位（Axial localization），其依赖于倏逝波的形成及其与表面等离子体的相互作用
• 侧向定位（Lateral localization），即将样本放置在光源发出的入射光波长的一小部分范围内

纳米光子的倏逝波

倏逝波（evanescent wave）是振荡的电场或磁场，其传播方式与常规电磁波不同。相反，它们将能量集中在其来源附近，不会导致能量向任何方向传播。

当光线在具有不同折射率的两种介质之间的界面（例如在棱镜-样本界面）上经历全内反射时，就会形成倏逝波。

人们通常使用棱镜生成与样本相互作用的倏逝波，以便测量。有趣的是，在某些情况下，电磁场也可分解成倏逝分量和传播分量。

倏逝波的一大优势是，其可促进纳米级光学的相互作用，特别是在传感过程中。例如，能够实现强大的近场荧光检测。

此外，也有人提出可将倏逝波耦合波导用于涉及在波导通道之间传输能量的传感应用。这些波导也可在光学通信网络中用作定向耦合器。

纳米光子中的表面等离子体共振（SPR）

表面等离子体（SP）是金属表面自由电子的集体振荡。当入射光的动量与表面等离子体的动量相匹配时，就会发生共振。在表面等离子体共振时，倏逝波就会形成，并在金属介电界面与表面等离子体耦合，从而可显著增强光-物质相互作用。

全内光反射是通过波导（通常是介电基板上的薄金属膜）实现，而非棱镜。衰减全反射（ATR）是生成SP波的首选方法。

一旦光与SP强烈耦合，表面等离子体激元（SPP）就会形成，并沿金属-介电界面传播。它们能够将电磁场限制在显著低于自由空间光波长度的尺寸内，因此特别受青睐。

纳米光子的金属光学

事实上，金属可有效将光限制在衍射极限内。这是因为，金属在光学频率下（光谱的可见光和近红外区域）显示出较大的负介电常数。

介电常数，也称介电常量，与频率有关。当频率接近并超过等离子体频率（位于紫外线范围内）时，它就会变小，负值也会偏正，从而无法支撑表面等离子体。

金属通常被应用于无线电和微波工程，例如，亚波长金属天线和波导（比自由空间光波长小数百倍）可以成功捕获电磁辐射。根据类似的原理，利用纳米天线、纳米线和纳米棒等纳米级金属结构，也可将光限制在纳米长度内。

事实上，许多纳米光学设计与微波或无线电波电路类似，都采用类似的设计技术，比如，集总恒定电路元件（例如电感和电容）、金属平行板波导（带状线）以及偶极天线与传输线的阻抗匹配等。

然而，纳米光学与微波电路之间仍然存在重大差异：在纳米尺度下（以及在光学频率下），金属的表现远不如理想导体，其还会表现出许多有趣的属性，包括表面等离子体共振和动能电感。此外，在纳米尺度下，电磁场会以截然不同的方式与半导体相互作用。

纳米光子的非线性光学

光在非线性介质中传播时，介电极化会对电场产生非线性响应，这会诱发不寻常的光学效应，从而产生通常观察不到的现象。引入金属超材料可诱发非线性光学效应，其目的是缩小组件尺寸，加速信号处理。

尤其是在高场强（例如激光产生的场强）下，非线性光学效应会变得明显。这会带来对纳米光子学具有重要应用价值的新功能，其中包括：

• 频率转换：当二阶谐波产生、光学参量振荡、光学相位共轭和四波混频等非线性光学过程支持生成新的光频时，就会出现这种情况，这在高分辨率传感和成像中非常有价值。
• 多光子过程：非线性多光子过程可能会带来控制光-物质相互作用的新途径。
• 超快处理：非线性光学效应出现在超快时间尺度上，可实现光的高速调制和切换。
• 器件微型化：非线性光子可促进器件微型化，这对于片上功能的发展至关重要。
• 新材料：在追求增强非线性的过程中，人们一直在探索新材料，其中包括玻璃、晶体、半导体，以及最近的纳米结构材料等。此外，全介电超材料也引起了人们的兴趣，其表现出的损耗比对应的金属材料更低。
• 量子发射体：量子发射体（如量子点）与纳米光子波导之间会发生非线性相互作用，从而产生新的量子纳米光子效应，可应用于新兴量子技术。

随着研究人员学会在亚波长维度上控制光的流动、相位、振幅和偏振，他们能以有趣的新方式对光进行散射、折射、限制和筛选。这就为集成电路、光学计算、生物化学、医学、燃料电池技术以及太阳能电池技术等开辟了新的道路。

下面我们将概述纳米光子学的主要应用。

纳米激光器

在金属介电界面，表面等离子体激元可用于将激光限制在亚波长尺度下。纳米激光，是通过结合量子点和荧光团等发射体的粒子数反转以及等离子体共振结构产生的反馈来实现的。

纳米激光器具有多种利于光通信领域应用的理想特性，包括快速调制（改善数据传输）和低阈值电流（提高能效）。

表面等离子体激发子（即spasers，通过受激辐射实现表面等离子体放大）是激光的表面等离子体形式（通过受激辐射实现的光放大），其涉及金属纳米粒子内振荡局部表面等离子体（LSP）的放大。

纳米激光器和表面等离子体放大器引起了研究人员的关注，因为它们可以实现达到或超过衍射极限的相干受激发射，可应用于高分辨率传感和成像以及光学和电子数据处理。

光电探测器

光电探测器 在光电和微电子电路中发挥着核心作用，因为它们能够检测光并将其转换为电信号，从而推动广泛的相关器件应用，其中包括：

• 单光子雪崩二极管（SPAD）能够检测到低至单个光子（具有高时空分辨率）的低强度信号，其主要用于例如激光雷达、3D成像和PET扫描等
• 光纤通信器件，如铟镓砷（InGaA）二极管，能够检测通过光纤传输的高速红外信号，使数据通信速率达到每秒2.5千兆位
• 光学网络设备，如波导集成近红外探测器
• 用于天文学的遥感仪器，可探测从远红外到伽马射线的各种广泛波长
• 用于检测化学和生物制剂痕迹的环境监测装置
• 将太阳光转化为电能的光伏电池
• 用于数码相机及其它成像设备的电荷耦合器 （CCD）和 互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器
• 楼宇门禁系统

全光交换

在等离子体超材料中，通过调谐集成电路中单个组件的等离子体共振以及它们之间的电磁耦合，可实现全光交换。此外，可通过改变嵌入介质或基板的折射率调谐等离子共振与耦合，从而增强非线性响应。通过控制分子激子的结合力，等离子体激发会产生有效的全光调制。

数据存储

在光学数据存储中，可使用亚波长近场光学结构（嵌入记录介质或与记录介质分离）实现远低于衍射极限的光学记录密度。

在热辅助磁记录中，激光会在编码数据之前对磁性材料的亚波长区进行加热，从而可增加单位面积所存数据的数量。磁头还包含集中光线的金属光学组件。

硅光子学

硅光子学涉及嵌入在硅基板上的纳米级光电器件，这些器件能够同时引导光和电子，从而可在单个片上器件上实现电子功能和光学功能的耦合。硅光子可推动光学波导和互连器、光学放大器、光调制器、光电探测器、存储单元以及光子晶体等的创新。

集成电路

制造商使用光刻技术来制造微处理器和存储器芯片等集成电路。在光刻过程中，各种类型的光（包括紫外、极紫外和X射线光）被用于将纳米级几何图案从光掩模转移到被称为光刻胶（一种应用于基板的光敏材料，通常为硅晶圆）的光敏材料上。

此外，微型化集成电路中的电子组件（如晶体管）对于提高速度和成本效率至关重要。不过，在光电子电路中，片上通信涉及在波导的帮助下将光学信号从芯片的一个部分传输到另一个部分，这只有在光学组件也实现了微型化的情况下才能实现。

生物传感器

纳米光子生物传感器提供了一些最可靠、最准确的传感系统。这些生物传感器包含光学换能器和接受器。接受器会对换能器中的物理及化学变化作出响应，从而导致光信号的吸收、反射、折射、荧光、相位和频率变化。

这些独立设备可以借助DNA、抗体或酶等生物识别成分，检测微量分子（或分析物）。上述相互作用会导致换能器的光学属性发生变化，这些变化可能与分析物浓度有关。

光学生物传感器依赖于倏逝场，其集成了硅光子和纳米等离子体。在基于波导的SPR及介电生物传感器中，与大多数生物分子分析物（约200~400纳米）相比，倏逝场的衰变周期明显更长。

光学生物传感器可为检测生化制剂提供非侵入性的可靠途径，其依靠该传感器表面的实时相互作用，因此无需使用标签或染料。

超构表面

在追求非线性场增强的方面，超构表面（metasurface）是一个重要概念。超构表面是由诸如散射光的纳米棒和纳米孔等亚波长纳米结构形成的人工工程纳米表面，因此，其可以实现对光的相位、振幅和极化执行纳米级的精确控制，例如，能够形成：

• 由显示负介电常数和磁导率（负折射率）的超构表面形成的超透镜，可聚焦超出衍射极限的光，在显微镜中特别有价值
• 相位补偿介质，其结合了双负介质与正折射率材料
• 由近零折射率超构表面形成的隐形表面，其相对介电常数或磁导率接近零

在探寻能够以不断缩小的尺度提供多模态功能的紧凑节能技术领域，纳米光子学前景一片光明。

光纤电缆等光子设备可传输大量数据，但因其尺寸比电子设备大而受到了限制。下一个前沿领域，是将光子的海量数据承载能力与电子的快速信号处理能力结合起来。

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