微纳光子学——从基础到应用

目录 前言 物理量名称及符号表 第1章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 微纳表征技术概述 2 1.3 光场调控技术概述 4 1.4 微纳光子学前沿领域概述 5 1.4.1 微波光子学 5 1.4.2 生物光子学 6 1.4.3 二维材料纳米光子学 8 1.4.4 拓扑光子学 10 1.5 微纳结构光子器件简介 11 1.5.1 光学超构表面 11 1.5.2 片上集成光学器件 13 1.5.3 人工智能超材料 14 1.5.4 光学微腔 14 1.6 本书内容概述 16 参考文献 17 第2章 高数值孔径物镜成像 23 2.1 背景介绍 23 2.2 衍射理论 25 2.2.1 惠更斯–菲涅耳原理 25 2.2.2 傍轴近似 27 2.2.3 圆孔的菲涅耳衍射 29 2.3 透镜的衍射 32 2.3.1 单透镜的透射率 33 2.3.2 圆形透镜的衍射 35 2.4 高数值孔径物镜成像 40 2.4.1 描述物镜的基本参数 41 2.4.2 高数值孔径物镜的影响 42 2.5 德拜理论 45 2.5.1 德拜近似 45 2.5.2 圆形透镜的德拜积分 46 2.5.3 傍轴近似 48 2.6 切趾函数 49 2.6.1 正弦条件 50 2.6.2 赫歇尔条件 52 2.6.3 均匀投影条件 53 2.6.4 亥姆霍兹条件 53 2.7 矢量德拜理论 54 2.7.1 线偏振光经物镜折射后的矢量特性 54 2.7.2 矢量德拜积分 56 2.8 理查德–沃尔夫矢量衍射理论 58 2.8.1 理查德–沃尔夫矢量衍射公式 59 2.8.2 瞳切趾函数 62 2.8.3 应用举例 63 2.9 总结与展望 68 习题 69 参考文献 70 第3章 近场光学显微 71 3.1 近场光学成像概述 71 3.1.1 经典成像：阿贝成像原理 71 3.1.2 近场光学成像的原理 73 3.1.3 近场光学成像的发展历程 74 3.2 固体浸没显微术 76 3.2.1 固体浸没透镜 77 3.2.2 数值孔径增加透镜 79 3.2.3 微加工固体浸没透镜 82 3.2.4 固体浸没式椭偏仪 83 3.3 表面等离激元显微术 88 3.3.1 表面等离激元概述 88 3.3.2 表面等离激元显微镜：棱镜结构 89 3.3.3 表面等离激元显微镜：液浸式 90 3.4 近场扫描光学显微术的工作原理 92 3.4.1 近场扫描光学显微术的基本原理 93 3.4.2 近场扫描光学显微镜的实物图 93 3.4.3 近场扫描光学显微镜的主要功能模块 94 3.4.4 近场扫描光学显微镜的探针 94 3.4.5 近场扫描光学显微镜的工作方案 95 3.4.6 探针尖端与样品之间的距离控制 96 3.4.7 近场扫描光学显微镜的基本操作模式 99 3.5 近场扫描光学显微术的应用 99 3.5.1 形貌测量 100 3.5.2 波导表征：模式的直接成像 100 3.5.3 波导表征：折射率变化的测量 102 3.5.4 测量近场光谱 103 3.5.5 测量量子点的近场光致发光 104 3.5.6 测量液晶液滴的形貌图像 105 3.5.7 激发和检测等离激元波导中的能量传输 107 3.5.8 光的矢量场显微成像 110 3.6 无孔近场扫描光学显微术 111 3.6.1 无孔近场扫描光学显微术的原理 111 3.6.2 扫描干涉无孔显微术 112 3.6.3 扫描等离激元近场显微术 113 3.6.4 扫描近场椭偏显微术 116 3.6.5 柱矢量光场：近场扫描光学显微镜的虚拟探针 117 3.6.6 径向偏振模式的无孔近场扫描光学显微术 119 3.7 总结与展望 119 习题 121 参考文献 122 第4章 远场光学表征技术 124 4.1 远场光学表征技术概述 124 4.2 共聚焦显微术 125 4.2.1 共聚焦显微术的发展历程 125 4.2.2 共聚焦显微术的工作原理 125 4.2.3 共聚焦显微镜的系统组成 128 4.2.4 共聚焦显微术的典型应用 128 4.3 白光干涉术 132 4.3.1 白光干涉术的发展历程 132 4.3.2 白光干涉术的工作原理 133 4.3.3 白光干涉仪的系统组成 137 4.3.4 白光干涉术的典型应用 139 4.4 椭偏测量术 142 4.4.1 椭偏测量术的发展历程 142 4.4.2 椭偏测量术的工作原理 143 4.4.3 椭偏仪的分类 145 4.4.4 椭偏测量术的典型应用 149 4.5 受激发射损耗显微术 153 4.5.1 受激发射损耗显微术的基本原理 153 4.5.2 受激发射损耗显微术的关键问题 155 4.5.3 受激发射损耗显微镜的系统组成 158 4.5.4 受激发射损耗显微术的典型应用 159 4.6 总结与展望 164 习题 165 参考文献 166 第5章 等离激元光学 169 5.1 背景介绍 169 5.2 金属/绝缘体界面的表面等离极化激元 169 5.2.1 波动方程 169 5.2.2 单一界面的表面等离极化激元 171 5.2.3 多层体系 174 5.3 平坦界面上表面等离极化激元的激发 177 5.3.1 棱镜耦合 177 5.3.2 光栅耦合 178 5.3.3 紧聚焦光束激发 180 5.3.4 近场激发 180 5.4 表面等离极化激元的传播成像 181 5.4.1 近场光学显微术 181 5.4.2 荧光成像 181 5.4.3 泄漏辐射成像 183 5.5 局域表面等离激元 183 5.5.1 亚波长金属颗粒的标准模式 184 5.5.2 局域表面等离激元的观测 186 5.5.3 局域表面等离激元的耦合 187 5.6 等离激元光学的应用 188 5.6.1 表面等离激元波导 188 5.6.2 孔径的辐射传输 193 5.6.3 表面增强拉曼散射 195 5.6.4 光谱学与传感 201 5.6.5 成像与光刻 205 5.7 总结与展望 208 习题 208 参考文献 208 第6章 光场的偏振态调控 212 6.1 背景介绍 212 6.2 光场的偏振态表述 212 6.2.1 偏振椭圆 213 6.2.2 琼斯矢量 214 6.2.3 斯托克斯参量 215 6.2.4 庞加莱球 217 6.3 矢量光场 218 6.3.1 柱矢量光场 219 6.3.2 线偏振矢量光场 222 6.3.3 杂化偏振矢量光场 224 6.3.4 庞加莱光束 225 6.3.5 复杂矢量光场 226 6.4 矢量光场的生成技术 228 6.4.1 主动生成技术 228 6.4.2 被动生成技术 231 6.5 矢量光场的紧聚焦特性 237 6.5.1 柱矢量光场的紧聚焦场 237 6.5.2 纵向电场的特征 239 6.5.3 纵向电场的解释 240 6.5.4 纵向电场的探测 242 6.5.5 焦场工程 245 6.6 矢量光场的应用 255 6.6.1 光学微加工 255 6.6.2 光学捕获与微操纵 258 6.6.3 显微成像 263 6.6.4 非线性光学 266 6.6.5 等离激元光学 269 6.7 总结与展望 269 习题 270 参考文献 271 第7章 微纳光子器件 276 7.1 光学天线 276 7.1.1 光学天线的发展历史 276 7.1.2 光学天线的物理特性 278 7.1.3 光学天线的应用 280 7.2 增强局域光场的微纳光子器件 284 7.2.1 牛眼式接收型光学天线 284 7.2.2 阿基米德螺旋线式接收型光学天线 288 7.3 调控纳米发光体辐射场的微纳光子器件 291 7.3.1 八木发射型光学天线 292 7.3.2 牛眼式发射型光学天线 294 7.3.3 阿基米德螺旋线式发射型光学天线 298 7.4 检测手性物质的微纳光子器件 305 7.4.1 等离子体耦合圆二色性 306 7.4.2 基于超手性近场的圆二色性增强 308 7.5 生成结构色的微纳光子器件 315 7.5.1 基于薄膜干涉的结构色器件 315 7.5.2 基于表面等离极化激元的结构色器件 317 7.5.3 结构色的动态调控 317 7.6 总结与展望 320 习题 321 参考文献 322 汉英对照术语表 329