科技新闻 | 微纳光学研究前沿

导读：

1. 基于Fano共振超表面的宽波段波长分离器
2. 利用带有沟槽的纳米梁谐振腔增强色心金刚石的自发辐射
3. 光学天线在纳米体积增强光吸收的极限

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基于Fano共振超表面的宽波段波长分离器

Fano共振，物理学中一个很有趣的共振现象，当它与纳米光子学中的超表面相结合时会有很丰富的应用。Fano共振超表面由于其具有很窄的共振线宽和在纳米尺度很大的设计自由度等优势引起了广泛的关注。然而，控制Fano共振导致的非对称谱线使其只是应用在如光学传感、还有简单地控制以及通过实验测量Fano共振振幅。最近，一个通过Fano共振超表面调节相位信息的方法被提出^[1]，并通过理论模拟与实验验证。为了验证提出的想法，一个可以将不同波长分解成沿不同方向传播的光学分解器被设计出，并通过实验验证。该设计覆盖了近红外大概350nm的波带宽度，而且光束具有很小的半波带宽。该方法超越了传统方式对Fano共振振幅的控制，在光学波分复用、路由器、光开关等方面有着很重要的应用。

Figure 1 结构以及数值仿真结果，图片摘自文献[1]。

Figure 2 扫描电镜下的样品，图片摘自文献[1]。

Figure 3 数值模拟计算不同波长通过结构后的传播方向，图片摘自文献[1]。

Figure 4 样品的实验结果，图片摘自文献[1]。

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利用带有沟槽的纳米梁谐振腔增强色心金刚石的自发辐射

文章^[2]提出一个可以作为片上光学系统的沟槽纳米梁谐振腔（trenched nanobeam cavity, NBC），它可以增强放在其中的金刚石色心的自发辐射。沟槽在纳米梁谐振腔的中心，中心放入金刚石色心。这个沟槽-金刚石的复合系统极大地影响了腔模式中的电场。在沟槽和和纳米金刚石之间空气间隙的电场波腹，它可以很大限度地压缩模式体积。通过调节沟槽的深度，可以同时获得比较优良的Q值和模式体积。找到可以使Q值与模式体积之间比率最大的一个沟槽深度，相比与传统的倏逝波，该方法可以获得更大的自发辐射增强。

Figure 5 NBC结构与基本工作原理，图片摘自文献[2]。

Figure 6 NBC与纳米金刚石耦合系统，图片摘自文献[2]。

Figure 7 沟槽深度对结构光学性能的影响，图片摘自文献[2]。

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光学天线在纳米体积增强光吸收的极限

文章^[3]研究了在给定环境（纳米天线或复杂的非均匀材料环境）下的偶极吸收器的光吸收问题。依据第一性原理计算，给出光吸收的上限，计算结果分别考虑了吸收器与环境的影响。这是环境本身的属性无关于吸收器，该方法提供了一个很好的标准去衡量不同系统的增强吸收属性。在标量近似下，结果表明决定吸收强度的不是场增强的相关参数，而是场增强与局域态密度之间的比值。因此，一个支持“热点”的等离子体结构并不是增强吸收的理想结构。该理论不仅适用于标量近似与平面波照明，也使用其它比较复杂的情况。
由于研究的尺度为亚波长，所以可以将吸收器进行偶极近似。计算过程中的电磁场是严格的，没有一点近似。结果显示吸极限独立于吸收器，它取决于环境与照明光源。这提供了一个相关参数衡量不同系统的吸收能力，这个参数是由于环境的场增强与格林张量之间的相互作用。这个理论也实际计算了如二聚体、电介质天线等例子，结果显示等离子体系统可以极大地获得场增强，但不是获得理想吸收的必要条件。

Figure 8 计算模型示意，图片摘自文献[3]。

Figure 9 举例计算两个纳米棒组成的偶极天线，图片摘自文献[3]。

可以看出最大的吸收截面积永远小于放在均匀材料中的吸收率（蓝色点虚线）。这个工作对于理解复杂环境中的亚波长尺度体积内的吸收现象提供了一个新理解。

参考文献

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1. S.-E. Mun, C. Choi, J. Hong, and B. Lee, Nanophotonics 9, 1015 (2020). ↩

2. G. Alagappan, L. A. Krivitsky, and C. E. Png, Journal of Optics 22 (2020). ↩

3. E. Sakat, L. Wojszvzyk, J.-J. Greffet, J.-P. Hugonin, and C. Sauvan, Acs Photonics 7, 1523 (2020). ↩