什么是纳米光子学？

纳米光子学研究纳米尺度下光与物质的相互作用，并通过结构设计控制光的局域、增强、散射和传播。它连接光学、材料、半导体和纳米加工。

受到关注的背景

电子器件小型化逐渐面临互连功耗和速度限制，而纳米加工与数值计算的发展使光学结构能够被精确设计。光通信、传感和能源领域因此开始利用纳米尺度光场。

回折极限与近场

传统远场光学的分辨率受波长限制。表面附近的倏逝场包含更细的空间信息，通过近场探针或纳米结构可在小于波长的区域中约束和检测光。

主要原理

表面等离激元可在金属表面强烈局域光，但伴随吸收和发热；介质纳米结构损耗较小。超材料和超表面则利用亚波长单元控制相位、偏振和传播方向。

代表性结构与材料

纳米颗粒、纳米孔、光子晶体、波导和光学天线是常见结构。金属、介质和半导体材料应根据损耗、折射率、加工性和使用波长选择。

应用领域

应用包括太阳能电池的光捕获、SERS高灵敏度分光、超分辨成像、无标记生物检测、片上光通信以及小型化光学元件。

设计与评价

FDTD和FEM等数值方法用于预测电磁场分布，实验中则测量光谱、散射、近场和温升。模型必须考虑实际尺寸误差、表面粗糙度和材料色散。

课题与总结

吸收损耗、热、制造偏差、耦合效率和大面积量产是主要课题。纳米光子学的价值在于以极小结构实现传统光学难以获得的功能。