武汉大学物理科学与技术学院
[摘要]非线性光学作为现代光学及光子学的重要分支,主要研究强光与非线性介质材料相互作用所产生的现象及相关应用,包括光学谐波产生,激光频率调制,超快光开关,光学探测及光学成像等[1-3]。虽然,非线性光学效应在光子器件上已经被广泛应用,并且在很多方面表现出其独特的优势,但是只有当外加电场的强度足够大时,才会有比较明显的非线性效应产生。因而,材料固有的非线性光学响应很弱,现有的非线性光学晶体多通过增加相互作用长度来提高非线性转换效率,然而由于其尺寸较大,很难适用于集成微纳光电子器件领域。正因如此,在微纳尺度下提高弱光非线性转换效率是非线性光学发展的一个重大挑战。
南京大学物理学院固体微结构国家重点实验室人工微结构科学与技术协同创新中心
[摘要]近年来,变换光学与超构材料的提出及发展为人们提供一种控制电磁波的新范式。众所周知,超构材料是一种周期性人工微结构的新颖材料,其结构单元的几何尺寸及单元间距远小于工作波长。因此对于电磁波来说,由这些亚波长单元组成的宏观体系可以看作为介电常数、磁导率、折射率等性质与原材料明显不同的人工新材料。该材料可通过调节结构单元来自由调控其电磁参数,尤其是实现自然界所不存在的材料,其中负折射率材料被广泛报道。对于负折射率材料,光入射到其表面发生反射和折射时,入射光和折射光分布在表面法线的同一边,而不是像正常材料那样分布在两边。与此同时,变换光学提出对于电磁波来说“弯曲空间”等价于“非均匀各向异性材料”的概念,可按照人为意愿设计材料的电磁参数从而控制电磁波以预设路径进行传播。随着实验技术的发展,尤其是微纳加工水平的提高,在实验上可实现富有想象力的变换光学器件,譬如科幻电影里的隐身斗篷。但大多数变换光学器件只在微波或者近红外波段工作,在可见光波段工作实验上仍存在很大挑战。其一是制备工艺问题,如果在可见光波段工作需要在更小的尺度上制备人工结构单元,对于目前微纳加工的精度来说是一个挑战;其二是损耗问题,通常超构材料的工作单元是金属的人工共振劈裂环或光子晶体,对于由共振调控电磁参数的金属结构单元无法避免金属的欧姆损耗,而光子晶体通过结构单元散射调控等效参数,因此散射损耗很难克服,这些损耗问题在可见光波段会变得尤其严重。
东南大学物理学院
[摘要]光电探测器能够将光信号转化为电信号,在光通讯、成像、环境监测、军事等领域有十分广泛的应用。为实现高灵敏、快速、宽波段响应光电探测,研究人员在器件的原理及结构设计上不断探索。常见的光电探测器主要基于光电导、光伏、光热电等机制。在光电导器件中,一种类型的光生载流子被缺陷态等捕获,而另一种载流子在电场驱动下在器件沟道内多次循环,从而引入光电导增益。通过延长少数载流子的寿命或采用高迁移率沟道材料,可获得较高的光电导增益。然而,光电导器件的响应普遍较慢,一般在ms到s量级。基于光伏效应的探测器则依靠结区的内建电场将光生电子-空穴对分离,产生光生电势差或光生电流。光伏型探测器通常具有较快的响应速度,但由于缺乏增益机制,器件的响应度不高。光电导及光伏器件的波长探测极限通常受限于半导体材料的带隙。例如,硅基探测器的响应波长小于1.1 μm,对应硅材料约1.1 eV的带隙。区别于上述器件,光热电器件能够将光吸收引起的温差转换成电压从而实现光电探测。光热电器件可不受带隙限制并且可以进行无需制冷的长波红外光探测(中红外甚至THz波段)。但一般情况下,光热电器件的响应速度很慢,通常在s级。实现兼备高灵敏、快速、宽波段响应的光电探测仍是当前严峻的挑战,尤其是在红外光探测方面,对兼具快速响应及高灵敏度的器件的需求非常迫切。
上海交通大学电子信息与电气工程学院,区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室
[摘要]在单模光纤的端平面集成表面等离激元谐振(SPR)微纳器件,是融合微纳光学与光纤通信技术的一种独特途径。在对生化物质和环境场的探测中,这类技术已经清晰地展示出应用价值。与基于自由空间光束耦合到表面等离极化激元(SPP)的现有商业设备相比,光纤导波耦合的方式具有体积紧凑、光路灵活的显著优势。同时,细小的光纤端可以插进微量样品通过dip-and-read的方式直接读取信号,也能够伸入狭小的空间进行内窥探测,减轻内窥操作对检测对象造成的伤害。近10年来,针对这类器件,人们不断地发展与提升理论模型及制备工艺,并演示了对生物分子与声波的探测功能。在2018年英国物理学会发布的报告《The health of photonics》中,针对老龄化社会列出6项光学技术解决方案,其中就包括“在专用光纤上安装微小传感器,实现即时、高灵敏度的化学与生物分析。”另一方面,锥形光纤探针,因其较低的背景散射和便捷的制备工艺,也是一种集成等离激元纳米器件的良好平台。其中,通过扫描探针显微(SPM)技术操纵黏附在锥形光纤顶端的等离激元纳米颗粒天线,是实现等离激元天线精密动态调控的重要手段。本文拟结合作者的研究心得,对这两方面的研究现状、发展路径和应用前景进行介绍与讨论。
南京大学现代工程与应用科学学院智能光传感与调控教育部重点实验室
[摘要]1902年,Wood发现当TM偏振的入射光照射金属反射光栅表面时,反射光谱中会出现异常的吸收现象,这一现象引起了包括Fano在内的众多科学家的关注。1958年,Ferrell首次得到金属表面电磁波的色散关系,揭示了表面等离激元在关系中的重要作用。当发生表面等离激元共振(SPR)时,金属微纳结构对入射光的吸收和散射都急剧增强,能够有效地增强光与物质的相互作用。利用金属微纳结构实现等离激元增强(辅助)的光吸收和热局域效应也逐渐引起了光子学、材料科学、能源科学等多学科研究者的广泛兴趣。等离激元光热效应及其热利用成为等离激元光子学领域新兴的研究分支。
集成光电子学国家重点实验室吉林大学实验区
[摘要]以有机半导体材料为基础的有机光电器件,具有功耗低、成本低、工艺简单、可大面积制造、有机分子的结构和性能可剪裁、材料无毒等优势,在性能和应用上可以与无机半导体光电器件形成互补,从而在市场上占据不可替代的位置。有机薄膜自身因具有优异的柔性,及能制备在轻薄的柔性衬底上,可以满足现代电子产品的发展需要,能应用于可折叠卷曲的柔性便携式电子产品中。目前有机光电器件已经在显示、照明、太阳能电池、传感、生物医学等多个领域展现出应用潜力。
南京大学现代工程与应用科学学院
[摘要]复杂样品中各类痕量成分的快速定量测量一直是科学家们的梦想,在生命、健康、材料、能源等领域中具有广阔的应用,但其在原理、技术与操作层面也给研究者带来了前所未有的挑战。当面对小量且具有复杂结构的微纳材料/结构样品(譬如单个细胞、微量血样、复杂的多聚物混合等)时,由于样品量与尺度的限制,传统的基于分离、富集、检测、分析的方法体系不再适用。为解决上述问题,在过去几十年间人们发展了各类新型的超灵敏的检测方式,将极小量分子的信息转换为可测量的力学、电学或光学信号,而局域表面等离激元生化传感器就是其中重要的一个方法。
上海大学特种光纤与光接入网重点实验室
[摘要]自由调控电磁波(光)一直是人类的梦想和追求,这不仅具有重要的科学意义,而且在信息、国防、能源等领域有着广泛的应用。然而,自然材料有限的原子种类和晶格排列方式,导致电磁响应参数(如电响应参数——介电常数ε,磁响应参数——磁导率μ)取值覆盖范围十分有限,这极大制约了自然材料对电磁波(光)的调控能力。近年来,人们提出电磁超材料,这是一种由亚波长微结构按特定排列方式组合而成的人工材料。与自然材料最大的不同是,超材料的电磁响应可以按照工程的需要进行设计,由此实现了自然材料所不能实现的一系列电磁波调控现象,包括负折射,完美棱镜超成像,变换光学,完美吸收,极化偏转等。
