北京大学：《微纳光学》课程教学课件（超材料光学讲稿）第一章 表面等离激元基础

研究概况量子光学量子微纳光子学微纳光学微纳米或亚波长尺度调控量子光场可逆量子信息复合体系调控自发辐射研究相互作用量子干涉场量子化量子体系结合其它新兴手性光子拓扑光子超材料光子晶体材料结构材料

研究概况 量子光学 微纳光学 可逆 相互作用 量子微纳光子学 调控 自发辐射 量子信息 研究 复合体系 量子干涉 微纳米或亚波长尺度 光子晶体 手性光子 材料 超材料 拓扑光子 结构 场量子化 量子体系结合 量子光场 调控 其它新兴 材料

微纳结构中量子信息和量子网络微纳结构中未来计划微纳尺度腔光力学量子光场调控和腔量子电动力学微纳尺度微纳结构中腔量子电动力学前期研究量子信息过程量子光学微纳光学研究领域量子信息3

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研究方向：微纳尺度量子光学与量子信息致力于微纳光子学、量子光学和量子信息及其交叉领域的基础研究。进而研究这研究多种微纳光子结构及其组合中的光学模式，些结构中的量子光场及其和量子体系的耦合、腔量子电动力学、量子干涉及量子信息等，揭示了微纳尺度光和量子体系相互作用的诸多新现象新效应，为芯片上量子光学和量子信息提供了新原理新思路。《物在Naturenanotechnology、PRL、Chem.、nanoletters、理》等高水平杂志发表论文百余篇，在国内外学术界产生一定的影响

研究方向：微纳尺度量子光学与量子信息 致力于微纳光子学、量子光学和量子信息及其交叉领域的基 础研究。 研究多种微纳光子结构及其组合中的光学模式，进而研究这 些结构中的量子光场及其和量子体系的耦合、腔量子电动力 学、量子干涉及量子信息等，揭示了微纳尺度光和量子体系 相互作用的诸多新现象新效应，为芯片上量子光学和量子信 息提供了新原理新思路。 在Nature nanotechnology、PRL、Chem.、nano letters、《物 理》等高水平杂志发表论文百余篇，在国内外学术界产生一 定的影响

介电常数和磁导率示意图蓝色区域：常规材料0E0>0,H>0绿色区域：表面等离激元NO黄粉色区域：零折射率材料er0灰色区域：磁导率为负60,u<0整个微纳光学的理论基础就是Maxwell方程图改自“罗杰，赖耘，零折射率材料的物理与应用，物理，48卷7期，426（2019）”6

6 介电常数和磁导率示意图 整个微纳光学的理论基础就是Maxwell方程 蓝色区域：常规材料 绿色区域：表面等离激元 黄粉色区域：零折射率材料 灰色区域：磁导率为负 图改自“罗杰，赖耘，零折射率材料的物理与应用，物理， 48卷7 期，426 （2019）

（重要性）：为什么要研究微纳光学光学本身就是实用性很强的学科：现实生活、工业生产、军事诺贝奖：激光、全息、光纤、蓝光LED、STED等E(F,t)= A().cos(k.F+0-t+8)-e微纳尺度上操控光实用IrB(F,t) = B(b).cos(k.F +0-t+8,)-e,操控光的什么性质呢？传输、局域（增强）、聚焦、分束、存储等如何操控？材料设计、结构设计，或者两者结合微纳光学，尤其是其中的超材料光学就是在微纳尺度（亚波长）上操控（经典或量子）光场及其应用7

7 为什么要研究微纳光学（重要性）： 光学本身就是实用性很强的学科：现实生活、工业生产、军事 诺贝奖：激光、全息、光纤、蓝光LED、STED等 微纳尺度上操控光 → 实用 操控光的什么性质呢？ 传输、局域（增强）、聚焦、分束、存储等 如何操控？ 材料设计、结构设计，或者两者结合 微纳光学，尤其是其中的超材料光学 就是在微纳尺度（亚波长）上操控（经典或量子）光场及其应用 ( ) ( ) ( ) ( ) 1 1 2 2 , cos( ) , cos( ) r t A r k r t e r t B r k r t e     =   +  +  =   +  +  E B r r r r r r r r r r r r

课程简介和章节设置第一章表面等离激元基础60E>0,H>01.1特鲁德模型（Drudemodel）O1.2金属界面的表面等离激元aaO1.3平面表面等离激元波导E0,H<01.4Mie理论1.5金属纳米球壳的Mie共振第二章表面等离激元前沿及应用2.1表面等离激元前沿2.2表面等离激元的应用第三章微纳光学理论方法8

8 课程简介和章节设置 第一章 表面等离激元基础 1.1 特鲁德模型（Drude model） 1.2 金属界面的表面等离激元 1.3 平面表面等离激元波导 1.4 Mie 理论 1.5 金属纳米球壳的Mie共振 第二章 表面等离激元前沿及应用 2.1 表面等离激元前沿 2.2 表面等离激元的应用 第三章 微纳光学理论方法

H章节设置第四章超表面及零折射率材料60>0,H>04.1零折射率材料及其应用O4.2超表面及其应用c第五章量子微纳光学E0,H<05.1分子荧光5.2纳米结构近场区域偶极子弛豫系数5.3SPP增强分子荧光的前沿进展5.4SPP的量子性5.5基于超表面的量子性质基于拓扑光子结构的量子性质5.65.7微纳尺度腔量子电动力学及应用9

9 章节设置 第四章 超表面及零折射率材料 4.1 零折射率材料及其应用 4.2 超表面及其应用 第五章 量子微纳光学 5.1 分子荧光 5.2 纳米结构近场区域偶极子弛豫系数 5.3 SPP增强分子荧光的前沿进展 5.4 SPP 的量子性 5.5 基于超表面的量子性质 5.6 基于拓扑光子结构的量子性质 5.7 微纳尺度腔量子电动力学及应用

第一章表面等离激元基础1.1特鲁德模型(Drude model)1.2金属界面的表面等离激元1.3平面表面等离激元波导1.4 Mie理论1.5金属纳米球壳的Mie共振11

11 第一章 表面等离激元基础 1.1 特鲁德模型（Drude model） 1.2 金属界面的表面等离激元 1.3 平面表面等离激元波导 1.4 Mie 理论 1.5 金属纳米球壳的Mie共振

最早的表面等离激元现象c)aWavelength (μm)0.521.6Colloidalabsorption1.2Mietheory2thinfilmabsorption1.0(w(ne)10.8oeso80b0.6ueq0.40.20.0-0.5101520253.0354.04.55.0Energy (eV)Fig.l(a)byexampleoftheLycurguscup(Byzantineempire4thcenturyA,D.).Theglasscup,ondisplayintheBritishMuseum,shows astrikingredcolorwhen viewed intrans-mittedlight,whileappearinggreen in reflection.Thispecu-liar behavior is due to small Au nanoparticles embedded intheglass[Fig.1(b)],whichshowastrongopticalabsorptionof light in the greenpart of the visible spectrum[Fig.1(c)]12Plasmonics:Localization and guiding of electromagnetic energy in metal/dielectricStefanA.MaierandHarryA.Atwater,JOURNALOFAPPLIEDPHYSICS98.0111012005

12 Plasmonics: Localization and guiding of electromagnetic energy in metal/dielectric Stefan A. Maier and Harry A. Atwater, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 98, 011101 2005 最早的表面等离激元现象

表面等离激元plasmonics研究：金属和介质表面以及纳米金属颗粒的光学性质或光学响应解读：(SPP)SurfaceplasmonpolaritonSurface:金属和介质的界面Plasmon：金属界面自由电子的集体振荡，借用等离子的概念Polariton：模式属于：Mesoscopicoptics,nanooptics,nanophotonics,nearfieldoptics13

13 表面等离激元 plasmonics 解读： Surface plasmon polariton （SPP) Surface: 金属和介质的界面 Plasmon: 金属界面自由电子的集体振荡， 借用等离子的概念 Polariton: 模式 属于： Mesoscopic optics, nano optics, nano photonics, near field optics 研究： 金属和介质表面以及纳米金属颗粒 的光学性质或光学响应