1 中国科学院理化技术研究所有机纳米光子学实验室，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
三维（3D）无机微纳结构在光子学、量子信息、航空航天、能源等领域发挥着重要作用。利用传统制备方法获得的无机微结构通常分辨率较低和形貌不可控。因此，3D无机微纳结构的精确可控制备成为亟待解决的难题。激光加工具有高精度、形貌可控等优势，能够实现真3D、高分辨、多尺度复杂3D微纳结构的制备，解决3D无机微纳结构的精确可控制备难题。本文综述了激光加工制备无机微纳结构的研究进展，首先讨论了连续激光和超快脉冲激光加工方式，重点针对飞秒激光加工技术，阐述了基于纯无机材料体系、有机-无机杂化体系，以及聚合物模板法等制备3D无机微纳结构的方法。随后，总结了近年来激光加工3D无机微纳结构在光学器件、量子芯片、信息存储与防伪、航空航天以及仿生结构等领域的应用。最后，展望了激光加工3D无机微纳结构的未来发展趋势。
三维无机微纳结构 激光加工 飞秒激光 光与物质相互作用 微型器件 激光与光电子学进展
2024, 61(19): 1900001
Author Affiliations
Abstract
1 Center of Single-Molecule Sciences, Institute of Modern Optics, Tianjin Key Laboratory of Micro-scale Optical Information Science and Technology, Frontiers Science Center for New Organic Matter, College of Electronic Information and Optical Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China
2 Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, State Key Laboratory for Structural Chemistry of Unstable and Stable Species, College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Beijing 100871, China
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Single-molecule devices not only promise to provide an alternative strategy to break through the miniaturization and functionalization bottlenecks faced by traditional semiconductor devices, but also provide a reliable platform for exploration of the intrinsic properties of matters at the single-molecule level. Because the regulation of the electrical properties of single-molecule devices will be a key factor in enabling further advances in the development of molecular electronics, it is necessary to clarify the interactions between the charge transport occurring in the device and the external fields, particularly the optical field. This review mainly introduces the optoelectronic effects that are involved in single-molecule devices, including photoisomerization switching, photoconductance, plasmon-induced excitation, photovoltaic effect, and electroluminescence. We also summarize the optoelectronic mechanisms of single-molecule devices, with particular emphasis on the photoisomerization, photoexcitation, and photo-assisted tunneling processes. Finally, we focus the discussion on the opportunities and challenges arising in the single-molecule optoelectronics field and propose further possible breakthroughs.
optoelectronic device single-molecule junction light-matter interaction switch electroluminescence plasmon Opto-Electronic Advances
2022, 5(5): 210094
Department of Physics, Beijing Key Laboratory for Metamaterials and Devices, Beijing Advanced Innovation Center for Imaging Theory and Technology, Capital Normal University, Beijing 100048, China
Frontiers of Optoelectronics
2021, 14(1): 4–36
1 集成光电子学国家重点实验室, 吉林大学电子科学与工程学院, 吉林 长春 130012
2 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 清华大学精密仪器系, 北京 100084
激光诱导的相变是超短脉冲激光对材料进行加工改性的关键物理过程。由热效应驱动的光致相变通常都源于材料无序化,例如熔化或蒸发。在此情况下,光对材料原子尺度的控制力面临困难,加工改性的精度受限。而短脉冲的非热效应可以实现更高精度的相变控制,但是由于光与物质的相互作用过程复杂,相关机理仍在探索之中。介绍了近年来超短脉冲激光诱导非热相变的实验观测结果以及相应的机理研究进展,重点对比介绍了几种可以描述原子尺度机制的理论方法和超快激光在相变材料中诱导非热相变的动力学机理。最后讨论了理论机理对激光控制相变的参考意义。
超快光学 光与物质相互作用 非热相变 物理机制 第一性原理计算
Author Affiliations
Abstract
1 Tel Aviv University, School of Electrical Engineering, Tel Aviv, Israel
2 Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University, Department of Radio Engineering and Information Security, Chernivtsi, Ukraine
Interaction of electromagnetic, acoustic, and even gravitational waves with accelerating bodies forms a class of nonstationary time-variant processes. Scattered waves contain intrinsic signatures of motion, which manifest in a broad range of phenomena, including Sagnac interference, and both Doppler and micro-Doppler frequency shifts. Although general relativity is often required to account for motion, instantaneous rest frame approaches are frequently used to describe interactions with slowly accelerating objects. We investigate theoretically and experimentally an interaction regime that is neither relativistic nor adiabatic. The test model considers an accelerating scatterer with a long-lasting relaxation memory. The slow decay rates violate the instantaneous reaction assumption of quasistationarity, introducing non-Markovian contributions to the scattering process. Memory signatures in scattering from a rotating dipole are studied theoretically, showing symmetry breaking of micro-Doppler combs. A quasistationary numeric analysis of scattering in the short-memory limit is proposed and validated experimentally with an example of electromagnetic pulses interacting with a rotating wire.
light–matter interaction electromagnetic scattering quality factor open cavity Advanced Photonics
2020, 2(5): 056003
1 山东师范大学物理与电子科学学院, 山东 济南 250358
2 国家纳米科学中心, 中国科学院纳米科学卓越创新中心, 中国科学院纳米标准与检测重点实验室, 北京 100190
3 北京大学工学院材料科学与工程系, 北京 100871
4 北京大学宽禁带半导体研究中心, 北京 100871
5 中国科学院大学, 北京 100049
二维过渡金属硫族化合物(TMDC)具有独特的优势,可以作为增益材料实现激光发射。TMDC材料固有的强库仑相互作用和弱的介电屏蔽效应使其具有大的激子结合能,从而有助于实现室温下稳定的激子发光,其高达6~7的折射率能够提高光约束能力,原子层表面没有悬空键,当与硅基半导体器件连接时,能够避免晶格失配。这些独特性质使其成为极具潜力的增益材料,可以与硅基微腔连接构成激光器件,原子级厚度和近红外的光谱辐射能使其与集成器件互联。本文从光学微腔的分类和激光原理,以及二维材料激光器等方面总结了近几年基于TMDC材料的激光器研究进展,并指出了当前存在的问题及展望了其发展前景。
激光器 半导体激光器 过渡金属硫族化合物(TMDC) 光学微腔 光与物质相互作用
1 浙江传媒学院 电子信息学院, 浙江 杭州 310018
2 浙江大学 信息与电子工程学院, 浙江 杭州 310027
利用石墨烯优越的光学性能, 构建了基于全光纤结构的石墨烯电吸收调制器。设计了调制器的结构, 并进行了仿真和实验双重研究。首先, 根据石墨烯的光学可调特性研究了其化学势和介电常数之间的关系。接着, 基于全光纤结构设计了石墨烯电吸收调制器, 并分析了它的整体有效折射率和化学势的变化关系。对提出的光纤石墨烯调制器进行仿真分析, 并与传统半导体电吸收调制器进行对比, 实现了一个全光纤结构的石墨烯调制器。对实现的调制器进行了系统的性能测试。结果显示: 仿真的四层石墨烯的全光纤电吸收调制器的调制效率可以达到0.233 dB/mm, 在12.9 mm的长度上可实现0.2 V的摆动电压。实验测试验证了提出的全光纤石墨烯调制器的可行性; 但受实验条件的限制, 其半波电压约为120 V, 3 dB调制器带宽为100 MHz。与传统石墨烯波导调制器相比, 提出的调制器显示了半波电压小, 调制效率高, 尺寸小, 同时具有低的插入损耗低等优势, 适合在未来全光纤RoF系统应用。
电吸收调制器 石墨烯 光与物质相互作用 全光纤结构 electro-absorption modulator graphene light-matter interaction all-fiber structure
南京大学固体微结构国家重点实验室,物理学院, 江苏 南京 210093
超构材料作为一种新型人工微结构材料,由于它可以提供自然界不存在或者难以实现的特殊性质, 受到了广泛的关注。本研究组基于LC回路模型的量子化方法,研究了超构材料的元激发, 并引入了准粒子的概念。使用双光子干涉的方法,证明了超构材料具有量子特性,并验证了 量子化方法的正确性。基于这套量子化方法,进一步研究了超构材料与活性材料相互作用的问题, 发现这个体系可以产生受激辐射放大的效应。这些结果表明,超构材料不但可以有效地调控经典光, 在量子光学方面也有潜在的应用前景。
量子光学 超构材料 双光子干涉 元激发 光与物质相互作用 quantum optics metamaterial two-photon interference elementary excitation light-matter interaction
华南农业大学 理学院 应用物理系, 广州 510642
基于单边傅里叶变换, 本文提出一种研究辐射子的自发衰减动力学演化的普适方法.利用该方法研究了辐射子处于均匀介质、理想微腔和泄露微腔中的自发辐射动力学演化问题, 最后并把这种方法用于处理光子带隙材料中的辐射动力学演化问题.结果表明: 辐射子的自发辐射动力学特性由局域态密度决定, 可以通过调控辐射子周围的局域态密度来调控辐射子的自发辐射特性, 为实现新型的光电子器件提供了理论基础.该方法不仅适用于马尔科夫热库的情况也适用于非马尔科夫热库的情况.
自发辐射 光与物质相互作用 单边傅里叶变换 局域态密度 Spontaneous emission Light-matter interaction One-sided Fourier transformation Local density of states
