纳米光子学

纳米光子学或纳米光学，所述纳米区域学习行为和纳米级物体和光在标尺的光之间的相互作用。它是光学，光学工程，电气工程和纳米技术领域。通常涉及可以通过（但不仅限于）表面等离激元极化子传输和聚焦光的金属零件。术语纳米光学，就像光学一样，是指通常包括紫外线，可见光和近红外（300-1200 nm自由空间波长）的情况。

由于衍射极限（瑞利标准），诸如透镜和显微镜之类的普通光学组件通常无法将光聚焦到纳米（深亚波长）范围。但是，可以使用其他技术将注意力集中在光的纳米尺度上。例如，表面等离振子，围绕金属纳米级物体局部表面等离子体，近场扫描光学显微镜（NSOM）和扫描隧道显微镜是纳米级开口和锋利的尖端，以在使用。

纳米光子学研究人员正在追求从生物化学到电气工程的非常广泛的目标。下面列出了其中一些目标。

如果可以将光减少到少量，则可以由小型检测器吸收和检测。小型光电探测器倾向于具有各种理想的特性，例如低噪声，高速，低电压和低功耗。

小型激光器具有光通信的各种理想特性，例如低阈值电流（省电）和快速调制（意味着大量数据传输）。非常小的激光器需要亚波长光学谐振器。有些垫片是激光的表面等离激元形式。

使用光刻或曝光来制造集成电路。为了制造非常小的晶体管，必须将光收集成非常清晰的图像。通过使用各种技术（例如浸没式光刻和相移光掩模），可以创建比波长更精细的图像。例如，使用193nm的光绘制30nm的线。电浆技术也被提议作为这种应用。

热辅助磁记录是一种纳米光子学方法，可以增加磁盘驱动器可以存储的数据量。这需要在写入数据之前先加热一小段磁性材料亚波长区域的激光。磁性写头似乎具有金属光学元件，以便在正确的位置看到光。

光电子学的小型化，例如集成电路中晶体管的小型化，导致速度和成本的提高。然而，仅当光学组件与电子组件一起按比例缩小时，才可以使光电电路小型化。这与芯片上的光通信有关（即，通过将光通过光波导发送而不是改变导线上的电压，将信息从一个微芯片位置传递到另一个位置）。

当非常靠近表面的光被吸收时，太阳能电池的工作效率最高，这是因为靠近表面的电子很可能会被收集，使器件变薄会降低成本。研究人员，为了增加在最佳位置的光在太阳能电池中，已经对各种纳米光电子技术进行研究。

利用纳米光子学产生高峰值强度：将给定量的光能缩小到较小的体积（“热点”）会导致热点内的强度更高。这在非线性光学（例如表面增强拉曼散射）中特别有用。与传统的平均光谱超过数亿亿的光谱不同，即使在热点中只有一个分子，高灵敏度光谱也是可能的。

纳米光子学的一个目的，以产生比衍射极限的精确的图像（深副波长）超材料被称为“使用或其它技术超透镜是创建一个”。

扫描近场光学显微镜（NSOM或SNOM）是一种完全不同的纳米光子技术，可达到获得分辨率远低于波长的图像的相同目标。它也被包括在具有非常尖锐的尖端或非常小的孔径此光栅成像表面。

近场显微镜技术是指使用近场技术以实现更一般的纳米级亚波长分辨率的任何技术。例如，双面偏振干涉在垂直平面中的点的分辨率的波导表面上。

金属是将光限制在远低于其波长的有效方法。它最初用于无线电和微波工程。在那里，金属天线和波导可以比自由空间波长小数百倍。出于类似的原因，可见光可以通过纳米尺寸的金属结构（例如纳米尺寸的结构，尖端和间隙）限制在纳米尺寸内。这种效果有点类似于避雷针，在避雷针中电场集中在尖端。

该效果基本上基于以下事实：金属的介电常数是非常大的负值。在非常高的频率（等离子频率及更高频率，通常是紫外线）下，金属的介电常数不是很大，并且金属对电场集中没有用。

许多纳米光学设计看起来与常见的微波和无线电电路相似，但尺寸却缩小了1/10万以上。毕竟，无线电波，微波和可见光都是电磁辐射，只是频率不同。因此，其他部分相同，并且已经变为1 / 100,000的微波电路以100,000次的频率类似地操作。例如，对于无线电八木天线纳米光学八木天线是由研究人员在基本上相同的设计制造的。

金属平行板波导（带状线），电感和电容集总常数如所述电路元件（在频率可见光分别的值的毫微微亨利和Atofarado顺序），偶极天线的所述传输线的阻抗匹配和用于微波频率众所周知的所有技术都是纳米光子学发展的当前领域。也就是说，纳米光学和小型微波电路之间有许多非常重要的区别。例如，在光频率下，金属的行为不像理想导体，并且表现出有趣的与等离子体激元相关的效应，例如机械电感和表面等离子体激元共振。类似地，光场以与微波根本不同的方式与半导体相互作用。

当物体进行傅立叶变换时，它是由不同的空间频率组成的。高频对应于非常精细的特征和锋利的边缘。

当这种物体发出光时，具有很高空间频率的光会形成 an 逝波。它仅存在于非常靠近物体的一两个波长内，并在远处消失。这是衍射极限的起点，在该极限下，当透镜形成物体时，子波长信息会模糊。

纳米光子学主要与近场 e 逝波有关。例如，上述超级透镜防止了 the 逝波的衰减并且使得能够进行更高分辨率的成像。

超材料是人造材料，旨在具有自然界中未发现的特性。这些是通过使阵列的结构远小于波长来实现的。重要的是，结构的尺寸要小（纳米）。这样，光不会从单个结构中散射出来，而是像形成均匀的连续介质一样相互作用。