变革型纳米光子学

光纤和电荷耦合照相机的革命性发明获得了2009年诺贝尔物理学奖,揭示了光子学的科学影响力。光子学,以光子为研究和应用的载体,已经对我们的日常生活和全球经济产生了深刻变革,使人们走向可持续的未来。纳米光子学,即纳米尺度的光科学与技术,是光子学中新兴的前沿领域。纳米光子学致力于信息技术、绿色能源、癌症的早期检测、细胞工程和水资源净化等方面的研究,为我们的社会提供更好的环境和更加健康的生活。介绍了澳大利亚斯威本科技大学微光子学中心近年来在纳米光子学领域中的研究进展,包括五维光学数据存储、非线性光学内窥成像和纳米等离子体太阳能电池等内容。     

基于纳米光学等离子晶体的新型纳米光子学器件的发展

通过设计合适的纳米表面等离子结构,纳米光学等离子晶体具有光场增强效应,能调控近场范围内的光场分布,可用来设计新型的纳米光子学器件。介绍了纳米光学等离子晶体的原理、结构特点、制作工艺和纳米光子学器件的设计方法,对纳米光学等离子晶体和普通光子晶体做了比较。归纳了纳米光学等离子晶体的物理机制、光学特征,描述并分析了波长选择性场增强效应和束流效应等。给出几种基于纳米光学等离子晶体的纳米光子学器件应用实例。     

光学超透镜突破衍射极限成像

随着纳米光子学理论和材料微纳加工技术的发展,人们已能够在纳米尺度上对光子进行操控,例如利用“人工原子”的概念构造的超构材料,具有特殊的光学常数,获得传统光学材料所不具备的新奇电磁性质．对光子的操控,有望使光子成为新一代的信息载体,最终实现纳米光电集成和全光网络．     

未来十年纳米光子学若干重点发展领域

纳米光子学已经对人们的日常生活产生了重要影响,并且纳米光子学器件产品有强大的市场需求,因此其研究结果可以很快转化为商品。文章介绍了在未来5到10年内对光子工业有重大影响并且有望进入商品市场的11个纳米光子学领域,其中包括：纳米尺度量子光子学、全光路由、用于增强磁存储的表面等离子体光子学、用于诊断治疗和药物输送纳米光子学、纳米成像、分子尺度上的化学与生物传感器、纳米标签、纳米尺度上操控光场的分布(光伏器件和LED/OLED)、原型试制的新技术、量身定制光学特性的纳米光子材料以及太赫兹技术等,希望文章能对中国的纳米光子学研究及其工业化应用有一定帮助。     

纳米光子学全光开关研究进展

全光开关是全光网络和数字光信息处理的基本器件,该器件主要基于非线性光学原理.自激光发明以来,对该器件的研究已历时半个世纪.虽然全光开关的基础研究十分活跃,研究成果丰硕,但是至今尚未做出实用器件.文章分析了全光开关面临的困难, 指出只有在极小的时空条件下,也就是采用飞秒激光驱动的纳米尺寸器件,才有可能研制出低开关功率、高开关速度、低插入损耗的实用的全光开关器件.文章简要介绍了近10年来纳米全光开关的研究成果,包括纳米尺寸干涉仪开关（空间开关）、量子限制光双稳触发器（时间开关）、半导体光放大器的波长转换器（波长开关）、光子晶体带隙移动开关和表面等离子体激元开关（强度开关）等5类16种典型的纳米全光开关器件.     

纳米光子学全光开关研究进展

全光开关是全光网络和数字光信息处理的基本器件,该器件主要基于非线性光学原理．自激光发明以来,对该器件的研究已历时半个世纪．虽然全光开关的基础研究十分活跃,研究成果丰硕,但是至今尚未做出实用器件．文章分析了全光开关面临的困难,指出只有在极小的时空条件下,也就是采用飞秒激光驱动的纳米尺寸器件,才有可能研制出低开关功率、高开关速度、低插入损耗的实用的全光开关器件．文章简要介绍了近10年来纳米全光开关的研究成果,包括纳米尺寸干涉仪开关（空间开关）、量子限制光双稳触发器（时间开关）、半导体光放大器的波长转换器（波长开关）、光子晶体带隙移动开关和表面等离子体激元开关（强度开关）等5类16种典型的纳米全光开关器件．     

基于近场激发与增强的新型多层纳米薄膜结构在非线性光学器件上的应用与发展前景

传统光学引入了远场衍射的尺度极限。自从提出了近场光学技术以来 ,由于近场扫描光学显微镜 (NSOM)系统的复杂性而使得近扬的引入和利用变得困难。具有多层纳米薄膜结构的超分辨近场结构 (Super RENS)的提出改变了这种局面 ,并在诸如超高密度光学数据存储、近场光刻技术、纳米光子学晶体管等领域获得了重要的应用。围绕Su per RENS技术 ,通过综述它的基本原理、物理机制以及各项应用 ,指出了基于近场激发与增强原理的新型多层纳米薄膜结构在未来非线性光学器件上的应用与发展前景     

突破衍射极限的超级透镜技术及其应用研究

基于超材料的超级透镜能让携带物体高频信息的倏逝波分量参与成像,从而实现对小于半个工作波长的超精细结构的分辨。分析了几种典型的超透镜,如近场、远场和双曲超透镜的工作原理和研究进展,并对超透镜技术在实时生物成像、高密度光存贮、光刻等方面的应用前景进行了分析和总结。     

新型超硬材料β—C3N4的研究进展

βＣ３Ｎ４材料的研究是继非晶、准晶及Ｃ６０之后，凝聚态物理与材料科学领域中又一新的研究热点．βＣ３Ｎ４是一种新型假想材料，理论上预言它可能具有可与金刚石比拟甚至更大的体弹性模量和较为特殊的电学及光学性能．现在的研究工作主要集中在高含氮量的ＣＮｘ薄膜的制备上，已经获得了直径为微米量级的βＣ３Ｎ４的多晶颗粒和原子比Ｎ／Ｃ＞１的薄膜，且由衍射计算出的晶体结构参数与理论计算值基本相符，探索简便易行的合成βＣ３Ｎ４的方法和开发βＣ３Ｎ４的潜在应用将是今后此项研究的主要方向．     

Optical Diffractive Memories: Angular Selectivity and Diffraction Efficiency in Dichromated Gelatin

Two thousand images of resolution 512×512 pixels as a regular matrix pattern of 10×10 elements are stored, where each element is angularly multiplexed 20 times in a 25 μm thickness of dichromated gelatin emulsion without cross-talk effect. The surface area of the matrix is 1 cm². We show good concordance of the angular selectivity between the experimental result and theory. The diffraction efficiency of each 20 multiplexed images is measured and has nearly the same value. Examples of reconstructed images for multiple applications are given, for example, storage of 160,000 images on a 3′1/2 floppy disc format, which is about 100 min of black and white film. Application can be made to automobile cartography and storage of X-ray images as well as weather forecast images. Colored diffractive images are also possible and are illustrated.     

Optical data storage in LC cells

Liquid crystal devices as a medium for holograms storage have been investigated. Long term memory effects in LC cells have been observed. Experiments proved that certain combination of insulating alignment layers has a major influence on the long term memory effect. Optimal liquid crystal cell construction allows us to achieve sufficient diffraction efficiency to record holographic patterns and to develop a re-writable holographic medium. The configuration of PVK and polyimide layers in LC cell construction with specific LC mixture was tested. The method of permanent and re-writable recording of optical data (holographic pattern) onto LC cells was achieved. However, the method of erasing recorded data was realized but mechanisms of this phenomenon are not clearly understood yet.     

折射率失配对双光子三维光存储中像差的影响

双光子吸收三维光信息存储是实现高密度光存储的重要方法。三维数据写入过程中光束需经过两层不同的介质(如空气和存储材料),对像差和存储效果产生很大的影响,因此在理论和实验上分析系统各项光学参量对折射率失配引起的像差和存储效果的影响具有很大的意义。首先建立光学存储系统模型,在平行平板条件下,利用波像差函数推导展开,获得五项初级(赛德耳)像差,即球差、彗差、像散、场曲、畸变,然后对于存储材料在水平和倾斜两种情况下对初级像差进行模拟计算与分析,理论模拟与实验表明:物镜的数值孔径越大,像差随着存储深度增加而增大的速度就越快。     

一种新型数字化衍射光变图像的存贮系统

研制了一种新型数字化衍射光变图像的存储系统。采用SLM作为自动文字输入,由消像差的远心缩微光路缩小输入文字,每个输入文字均由光栅干涉头进行调制,从而形成用于光信息存储的干涉光场,改变调制光栅的取向和条纹间隔,将改变存储文字的衍射特性。在光刻胶干版上的存储实验表明,存储的最小衍射文字尺寸可达40μm,单通道存储达3.7×104bits/cm2,而且存储的信息可以复制。     

基于DVD光头的双光子光致漂白三维光存储

基于现有的DVD光头物镜与音圈电机，根据光致漂白的双光子吸收气维光信息存储原理，以钛蓝宝石飞秒脉冲激光进行双光子光信息写入和读出，利用音圈电机进行选层，在新型光致漂白材料二苯乙烯衍生物中进行光致漂白二进制编码信息的存储和读出实验研究；实现了三层光信息存储，信息点间距和信息层间距分别为4μm和15μm；用Matlab软件读出信息的信号强度并对其进行了识别，识别结果与写入的二进制编码信息完全一致。实验证明了用DVD光头进行双光子三维光数据存储的可行性，表明双光子吸收光致漂白技术可以与现有CD／DVD兼容，为实现多层高密度和超高密度光信息存储打下基础。     

Super-Resolution Two-Photon Fluorescence Tomography Through the Phase-Shifted Optical Beatings of Bessel Beams for High-Resolution Deeper Tissue 3D Imaging

A novel z-scanning-free epi-detected super-resolution two-photon fluorescence tomography (TPFT) technique enabling super-resolution deeper tissue 3D imaging is reported. To accomplish this, a unique method is conceived by generating the phase-shifted optical beatings of Bessel beams (PS-OB³) with a spatial light modulator (SLM) to break the diffraction limit for enhancing both the lateral and axial resolutions as well as improving the penetration depth in TPFT for super-resolution deeper tissue imaging. By electronically varying the optical beating frequency and the phase shifts of the beating patterns through SLM, the depth-resolved TPF signals about the volumetric tissue are encoded in the spatial frequency domain and hence, a series of depth-resolved TPF images can be retrieved by implementing inverse fast Fourier transform without a need of mechanical depth-scanning. PS-OB³ TPFT provides ≈1.3- and 2-fold improvements in lateral and axial resolutions in comparison with conventional point-scan TPF imaging. It is also illustrated that the epi-detected PS-OB³ TPFT imaging with inherent scattering-resilient properties of the Bessel beams employed gives over 2-fold improvement in imaging depth in porcine brain tissue compared to conventional point-scan Gaussian beam TPF imaging. The z-scanning-free optical sectioning ability of PS-OB³ method developed in TPFT is universal, which can be readily extended to practically any other nonlinear optical imaging modalities for super-resolution deeper 3D imaging in biological and biomedical tissues.     

Self-Absorption Effect in the Spatial Resolved Spectra of CdS Nano-Ribbon Optical Waveguide Observed by Near-Field Spectroscopy

Scanning near-field optical microscopy (SNOM) and spectroscopy were used to study the light emission characteristics of CdS nano-ribbon optical waveguide. A continuous red-shift of photoluminescence (PL) spectra of such nano-ribbons with the increase of the light propagation distance was observed. Near-field optical images indicate that CdS nano-ribbon can work well as an optical waveguide. Quantitative calculation was made to demonstrate the PL attenuation with long propagation distance (typically several hundreds μm). The red shift is attributed to self-absorption, which means re-absorption and re-emission among energy-valleys with different energies of conduction bands. Our results draw attention to the spectral characteristics of nano-ribbon optical waveguides, which are as important as intensity to the stability and veracity of information transmission.     

制作光盘和光纤的塑料及其发展动向

简要叙述光盘的结构原理、分类、光盘材料及其特性,并指出了材料的发展动向。对光纤的材料、塑料光纤的制备方法和特点以及发展方向与技术关键亦作了简要介绍。