介觀光學

作為21世紀光學與光電子學新興和競爭的焦點之一，介觀光學已引起世界各國科學家的極大重視。本次介觀光學及其套用研討會促進了我國在介觀光學及其套用領域的發展，為相關領域的研究工作提供了學術交流的平台，適應了介觀光學領域迅猛發展的需求，為我國在該領域取得原創性進展做出了貢獻。
在過去,物理學家常將他們對自然現象的研究對象劃分成巨觀(macroscopic)系統與微觀(microscopic)系統.巨觀系統用古典物理處理,微觀系統用量子力學處理.如果一個巨觀系統是由大量相同的微觀系統組成的,往往就採用統計力學的平均處理方法.在其中,巨觀系統的具體形狀或邊界條件不重要,因為波相位的特性會在統計平均下消失,不會影響物質的特性.一個具體的例子就是在計算固體中聲子的態密度(density of state)時,可以隨意採用周期性邊界條件或固定端邊界條件,因為巨觀物理量不受這些邊界條件的影響.
隨著製造技術以及電腦計算能力的快速發展,從前的科學家所忽略或逃避的細節漸漸變成研究者必須面對的問題.在不大不小的介觀系統中,物質的特性跟材料的形狀,尺寸以及有效維度都有關係;而波動性與相位特性必須被考慮.量子環的 Aharonov-Bohm 效應是拓樸量子相位的具體表現;量子點的離散能譜與量子通道的電導量子化意味著邊界與維度效應不可忽略;而在安德森局域化(Anderson Localization)效應中,不考慮波函式的多重散射(multiple scattering)就無法理解.由此可知,介觀物理系統較傳統的半導體系統以及少粒子簡單量子系統更複雜,牽涉的現象也更豐富.
在光學的發展中,幾何光學的處理方式其實就像是巨觀系統.可見光的波長是數百奈米,遠遠小於光學元件的尺寸,因此傳播中的光可視為直線前進的點粒子,碰到光學元件的表面才發生反射與折射.另一方面,可見光的波長又遠遠大於原子尺度,所以物質可看成連續的,用折射率來表示就可以了.兩種極限下皆無須考慮波相位干涉的因素.在傅氏光學(Fourier optics)中,考慮的是波相位的相干性(coherence)明顯的系統.在這些系統中,光波疊加後的相位特性能被保持,導致了可觀測的干涉及繞射現象;然而,反射或散射效應或者被完全忽略,或者只考慮有限次數,因此多重散射在此是不必考慮的.
近二十年的新發展迫使科學家跳脫這類的思考模式.當我們要分析光波經過一個尺寸僅有數個至數十個波長大小的系統的複雜行為時,必須使用 Maxwell 方程式,並考慮嚴謹的邊界條件.此時除了要考慮電磁波的相位特性外,它的向量特性(偏振)以及多重散射(來自系統內部複雜的邊界條件或是差異較大的介電常數)效應都要被考慮.這些因素導致了複雜而多樣的現象,像是光子頻隙(photonic band gap),負折射(negative refraction),超稜鏡效應(superprism effect),超透鏡效應(superlensing effect),表面電漿波(surface plasmon wave),消逝波(evanescent wave),穿透增益(transmittance enhancement)等等.要有系統地理解這些現象,必須向介觀物理與固態物理借鑒許多概念與方法,例如元激發(elementary excitation),等效質量(effective mass)等等.類比於上述的介觀量子系統,我們將此類光學研究定義為介觀光學研究,而它將比納米光學具有更廣泛的意義.
在2008年2月出版的英國(Nanotechnology) 雜誌上,以封面文章報導了人工微結構和介觀物理國家重點實驗室在飛秒雷射雙光子聚合納米製備方面的最新進展。飛秒雷射雙光子聚合的精度優於100 nm ,而且可以直寫三維結構,是製備介觀光學元器件和納微機械的重要手段。不斷減小特徵尺度,一直是人們追求的目標。重點實驗室李焱教授和龔旗煌教授等人發現了二次聚合現象,利用該效應,將聚合線的特徵尺度降到15 nm。隨著尺度越來越小,加工精度要求越來越高,因為微小缺陷會給元器件性能帶來巨大影響。當線條的特徵尺度小於100nm時,李焱教授和龔旗煌教授等發現了許多與製備精度直接關聯的新現象。收縮是光聚合製備結構過程中存在的一個難題。當特徵尺寸很小時,直接測量非常困難。他們提出了在聚合結構上添加周期性分布的點或直接用周期性結構的變化測量納米聚合線條收縮的方法。利用二維周期點做標記,測出了不同形狀、不同高度方塊的收縮率。通過這種方法,還發現了聚合結構的非均勻收縮現象即不同區域的收縮率存在明顯差別。同時還發現,懸空聚合線條不僅存在收縮,而且還被拉伸,導致尺度進一步減小。長度2μm ,寬度40 nm的線條拉伸率高達75 %。這一研究為製備高精度的三維納米聚合物結構提供了重要依據
2009年，人工微結構和介觀物理國家重點實驗室龔旗煌教授研究組的一項工作最近發表在國際權威刊物《自然—光子學》上。這篇題為Picosecond and low-power all-optical switching based on an organic photonic-bandgap microcavity的論文已於2008年2月3日網路版提前刊登。論文工作一經刊登，即被英國物理學會光學網站（Optics.org）以題為“光子晶體加速全光開光”以及Nature China以“一個低功率光開關”研究亮點所評述。
論文提出了一種通過激發態電荷轉移同時實現材料的超快速時間回響和近共振增強非線性光學效應的新方法。研究獲得了具有大三階非線性光學係數和超快時間回響的聚苯乙烯/香豆素染料複合材料，並且利用此複合材料製備二維非線性光子晶體，實現低功率超快速光子晶體全光開關。作者所完成工作將光開關泵浦光功率降低了4個量級，並同時達到了80％的高開關效率和1.2皮秒（10-12s）的超快開關時間。
光子晶體全光開關是介觀光學套用重要的原型器件，是實現其超快回響和低泵浦光功率是實用化的關鍵。研究成果不僅將促進全光開關等介觀光子學器件的實際套用，而且為非線性光學新材料的研究提供新的途徑。