南京大学：《大学物理》课程教学资源（PPT讲座）等离激元光子学 Part A（背景与基本原理）

Nanjing University 等离激元光子学 (基本原理) 李涛 2012.5.22 taoli@nju.edu.cn Nat.Lab.of Solid State Microstructures College of Engineering and Applied Sciences Nanjing University Dielectrie Superlattice Laboratory Nat.Lab.Microstructures Dr.Tao Li taoli@nju.edu.cn

Nanjing University 李 涛 Š 2012.5.22 Š taoli@nju.edu.cn Š Nat. Lab. of Solid State Microstructures C ll f E i i d A li d S i College of Engineering and Applied Sciences Nanjing University Dielectric Superlattice Laboratory Nat. Lab. Microstructures Dr. Tao Li taoli@nju.edu.cn

收象 Nanjing University 内容纲要 背景 基本原理 物理效应+相关应用 结论与展望 Dielectrie Superlattice Laboratory Nat.Lab.Microstructures Dr.Tao Li taoli@nju.edu.cn

Nanjing University ‹ 背景 ‹ 基本原理 ‹ 物理效应+相关应用 ‹ 结论与展望 Dielectric Superlattice Laboratory Nat. Lab. Microstructures Dr. Tao Li taoli@nju.edu.cn

版 Nanjing University 能源 信息 材料 制造 Dielectrie Superlattice Laboratory Nat.Lab.Microstructures Dr.Tao Li taoli@nju.edu.cn

Nanjing University 能源 信息 制造 Dielectric Superlattice Laboratory Nat. Lab. Microstructures Dr. Tao Li taoli@nju.edu.cn

Nanjing University 背景 天然材料 人工材料 或美或丑，或有用或无用 人们根据意愿去生长、加工、组装 只能选择，不能控制 →各种功能材料 Dielectrie Superlattice Laboratory Nat.Lab.Microstructures Dr.Tao Li taoli@nju.edu.cn

Nanjing University 天然材料 或美或丑 或有用或无用 人工材料 或美或丑，或有用或无用 人们根据意愿去生长 加工 组装 只能选择，不能控制 人们根据意愿去生长、加工、组装 Æ 各种功能材料 Dielectric Superlattice Laboratory Nat. Lab. Microstructures Dr. Tao Li taoli@nju.edu.cn

收象 Nanjing University 背景 材料 介电体 半导体金属 Dielectrie Superlattice Laboratory Nat.Lab.Microstructures Dr.Tao Li taoli@nju.edu.cn

Nanjing University 介电体 半导体 金属 e - hv Dielectric Superlattice Laboratory Nat. Lab. Microstructures Dr. Tao Li taoli@nju.edu.cn

Nanjing University 半导体材料的微结构控制 Al.Ga:As 载流子调控 晶体管 集成电路 超大规模集成电路 微电子产业 w NUMBER DF ELECTRONS 电子能带调控 量子阱 半导体超晶格 LED,LD 光电子产业 Dielectrie Superlattice Laboratory Nat.Lab.Microstructures Dr.Tao Li taoli@nju.edu.cn

Nanjing University 载流子调控 晶体管 集成电路 超大规模集成电路 微电子产业 电子能带调控 量子阱 半导体超晶格 LED，LD 光电子产业 Dielectric Superlattice Laboratory Nat. Lab. Microstructures Dr. Tao Li taoli@nju.edu.cn

Nanjing University 电介质材料的微结构控制 25m 90 光子晶体 折射率的周期调制→调控光子能带 光处理、光信息产业 Laser medium 0 Mirror Semitransparent 01 年绿、蓝、白 mirror 全固态放光器 介电体超晶格 非线性系数的调制→谐波产生，频率转换 激光产业 Dielectric Superlattice Laboratory Nat.Lab.Microstructures Dr.Tao Li taoli@nju.edu.cn

Nanjing University 光子晶体 折射率的周期调制 Æ 调控光子能带 光处理、光信息产业 (2) ω2 ω ω1 (2) χ ω3 红、绿、蓝、白 全固态激光器 介电体超晶格 非线性系数的调制 Æ 谐波产生，频率转换 激光产业 Dielectric Superlattice Laboratory Nat. Lab. Microstructures Dr. Tao Li taoli@nju.edu.cn

Nanjing University 金属材料的微纳结构控制 上ight electron gas Forb Aden band metal Ag Surface Plasmon SiO2 Glaso 2如-0q2g 金属表面等离激元 通过微纳结构调控等离激元的能带 等离激元光子学 天然原子 人工原子 3 人工原子 人工的共振结构一一“磁原子” 超构材料 Dielectrie Superlatice Laboratory Nat.Lab.Microstructures Dr.Tao Li taoli@nju.edu.cn

Nanjing University Light Surface Plasmon Forbidden band metal electron gas 金属表面等离激元 通过微纳结构调控等离激元的能带 等离激元光子学 天然原子 人工原子 人工原子 人工的共振结构——“磁原子” 超构材料 Dielectric Superlattice Laboratory Nat. Lab. Microstructures Dr. Tao Li taoli@nju.edu.cn

Nanjing University 基本原理 研究对象：金属中的电磁问题 V.D=P1 VxE=_ aB D =6E 8=8(0) 01 B=44,H u=u(⊙) 7.B=0 j=oE 0=0(k) ×月=j+ aD 8t 金属对电磁波的响应（金属的介电函数） 等离激元的几种形式： 体等离激元，表面等离激元，局域等离激元， 磁等离激元（对磁场的响应） Dielectrie Superlattice Laboratory Nat.Lab.Microstructures Dr.Tao Li taoli@nju.edu.cn

Nanjing University 研究对象: 金属中的电磁问题 ⎪⎪⎧ ∂ ∇ ⋅ = B D f r r ρ ⎧D E = εε r r ( ) ⎪ ⎪⎪⎪⎨ ∇ ⋅ = ∂ ∂ ∇ × = − B t B E r r 0 0 0 D E B H εε μμ ⎧ = ⎪⎪⎨ = ⎪ r r ( ) ( ) ε ε ω μ μ ω == ⎪⎪⎪⎪⎩ ∂∂ ∇ × = + ∇ = tD H j B f r r r 0 j σ E ⎪ = ⎪⎩ r r ω = ω( ) k ⎩ ∂t ‹ 金属对电磁波的响应（金属的介电函数） ‹ 等离激元的几种形式： 体等离激元，表面等离激元，局域等离激元， 磁等离激元（对磁场的响应） Dielectric Superlattice Laboratory Nat. Lab. Microstructures Dr. Tao Li taoli@nju.edu.cn

Nanjing University 金属的介电函数 通常情况下，介质在光学波段都没有磁响应 4=1 电的部分可以描述为： D(r,t)=Eo[dt'dr'c(r-r,t-t)E(r',t) J(r,t)=[dt'dr'o(r-r',t-t')E(r',t) 通过Fourierz变换 D(K,0)=6(K,o)E(K,o) J(K,o)=σ(K,o)E(K,o) t-r空间→ok空间 Dielectrie Superlattice Laboratory Nat.Lab.Microstructures Dr.Tao Li taoli@nju.edu.cn

Nanjing University 通常情况下，介质在光学波段都没有磁响应 μ = 1 电的部分可以描述为： 0 ( , ) ' ( , ') ( , ') ( ) ' ( ') ( ') t dt d t t t d d = −− ε ε ∫ ∫ D r r' r r' E r' J ' ' E' ( , t) '( = dt d σ − − , tt t ') ( , ') ∫ J r r' r r' E r' 通过Fourier变换 0 ( , ) ( , )( , ) ( ) ( )( ) ω εε ω ω ωσ ω ω = = DK K EK JK K EK JK K EK ( ,ωσ ω ω ) ( = , ) ( , ) t-r 空间Æω-k 空间 Dielectric Superlattice Laboratory Nat. Lab. Microstructures Dr. Tao Li taoli@nju.edu.cn 空间 空间