福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室,福建 福州 350007
近几年新型冠状病毒COVID-19的迅速传播,引起了全球对传染病防控和快速病毒检测技术的高度关注。表面增强拉曼光谱(SERS)作为一种光学分析技术,凭借其独特的分子指纹特性和高检测灵敏度的特点,成为生物医学检测领域的有力工具,对可能大规模暴发的流行性病毒灵敏迅速的检测以及监控提供新颖、高效的光学解决方案。本文对从2021年以来开展的DNA、RNA病毒,尤其是威胁人类生命健康的流行性病毒检测工作当中使用的标记、非标记SERS技术进行梳理,从SERS基底结构建构及功能化修饰,分子探针的设计,高速响应、高灵敏度检测模型构建,生物技术、机器学习方法的联合使用等方面,特别是基于便携式、手持式拉曼光谱仪的研究,对SERS技术在病毒检测领域的应用进展进行了总结和展望。
医用光学 表面增强拉曼光谱 病毒检测 生物传感器 纳米光子学 纳米医学
中国石油大学(华东)理学院,山东 青岛 266580
具有超高品质因子的光学微腔是构造各种集成光子器件的重要组件,以光子晶体微腔为基础的混合微腔为实现强烈的光和物质相互作用提供了一个新颖的平台,在腔量子电动力学、集成单光子源、量子计算等方面都具有十分广阔的应用前景。本文基于双异质结构光子晶体微腔,结合蝶形金纳米天线等离激元结构,设计实现了一种可见光波段的新型光子-等离激元混合微腔,并通过改变蝶形金纳米天线的间隙、角度、长度、厚度、相对位置等结构参数,利用三维时域有限差分法研究了等离激元纳米结构对混合腔的品质因子、有效模式体积、品质因数的调控规律,模拟结果显示,混合腔的有效模式体积和品质因数分别始终稳定在10-6(λ/n)3和108(λ/n)-3数量级,最佳品质因数值可达5.730689×108(λ/n)-3,优于其他类型的微腔。
光电子学 纳米光子学和光子晶体 光子晶体微腔 等离激元 纳米天线 品质因子 时域有限差分法 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1525002
1 南京大学 集成电路学院,苏州 215163
2 南京大学 电子科学与工程学院,南京 210093
3 西北大学 化学与材料科学学院,西安 710069
4 四川大学 物理学院,成都 610065
5 中山大学 微电子科学与技术学院,珠海 519082
6 西安交通大学 电子科学与工程学院,西安 710049
7 南京大学 现代工程与应用科学学院,南京 210093
人工设计的光子学器件在现代光学的各个领域都有广阔的应用前景。传统光子学器件的设计通常是基于已知的物理模型,然后通过数值模拟方法对结构进行优化设计。由于器件结构很大程度上依赖于先验模型,所以传统优化设计的自由度是有限的。随着近年来对高性能光子学器件需求的日益增长,具有更高设计自由度的逆向设计方法得到了快速发展。逆向设计方法打破了传统方法的设计局限性,可以在全参数空间中实现高效的参数优化,因此更可能得到具有极限性能的器件结构。本文总结了光子学器件逆向设计的常用方法,并给出了逆向设计在各个光子学领域中的具体应用。随着计算机科学的不断发展,逆向设计方法展现出无与伦比的潜力,有望在各个光学领域中实现更高自由度的光场调控。
遗传算法 梯度下降算法 拓扑优化 神经网络 纳米光子学 Genetic algorithm Gradient descent algorithm Topology optimization Neural network Nanophotonics
红外与激光工程
2023, 52(6): 20230196
红外与激光工程
2022, 51(3): 20220104
1 中国科学院上海微系统与信息技术研究所,硅基材料与集成器件实验室,上海 200050
2 中国科学院大学,北京 100049
3 西安理工大学 电子工程系,西安 710048
4 上海微技术工业研究院,上海 201800
由于金属固有的欧姆损耗,表面等离子体波导通常具有较大的传输损耗。基于此,提出了一种全介质反槽波导结构,该波导可以同时实现亚波长模式局域性和理论上无损耗的传输,归一化模式面积可以达到3.4×10-2。另外,为了实现该小尺寸反槽波导与输入/输出光纤的高效耦合,提出了一种高效的耦合方案,耦合效率可以达到92.7%,在y和z方向上1 dB损耗的耦合偏差均约为2 μm。
光子集成电路 纳米光子学 波导 photonic integrated circuits nanophotonics waveguide
超构表面是由亚波长结构单元组成,它可以利用微纳制造工艺在平面上制造出来。通过改变超构单元的形貌以及排列方式可以实现对光的精确控制,从而使超构表面实现多种光学器件的功能。超构表面平面光学器件具有超薄、超轻、可芯片级集成、易于大规模量产等优点,近些年来成为了微纳光子学里最热门的研究领域之一。基于紫外光刻工艺的晶圆级加工技术是未来实现超构表面光学器件大规模量产最可行的路线之一。本文综述了近些年来基于紫外光刻技术的晶圆级超构表面光学所取得的进展。这些研究工作在不同尺寸和材料的晶圆上实现了超透镜、偏振带通滤波器、半波片、完美吸收体、光束偏转器等光学器件。
超构表面 光学 CMOS 纳米光子学 晶圆加工 Metasurface Optics CMOS Nanophotonics Wafer processing 光子学报
2021, 50(10): 1024002
天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室&光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072
超快光学参量振荡器(OPOs)是获得高重复频率、高平均功率、宽光谱调谐脉冲输出的理想途径,为化学、生物、纳米光子学等领域的研究提供了强有力的手段。随着掺Yb 3+光纤飞秒激光器输出功率的不断提升及非线性晶体制备工艺的成熟,Yb光纤激光器泵浦的飞秒OPOs发展势头变得锐不可挡。回顾了近年来光纤飞秒激光器泵浦的OPOs的研究进展,介绍了利用飞秒OPOs拓宽波长覆盖范围、提升脉冲重复频率、获得少周期脉冲产生、实现结构光场输出的具体技术方案。最后介绍了飞秒OPOs在纳米光子学、拉曼光谱技术领域的应用。
非线性光学 光学参量振荡器 光纤飞秒激光器 少周期脉冲 结构光场 纳米光子学 中国激光
2021, 48(19): 1901001
1 清华大学电子工程系, 北京 100084
2 清华大学国际纳米光电子学研究中心, 北京 100084
3 清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室, 北京 100084
4 北京量子信息科学研究院, 北京 100193
自从第一个激光器诞生以来,激光对科学研究和技术应用都有革命性的影响。激光本身作为一门科学和技术兼具的学科,也一直是一个快速发展和极其活跃的研究前沿,激光器的线性尺寸从极小到极大跨越达10个数量级。主要介绍近十几年来激光向极小尺寸(即纳米激光)发展的一些基本情况,包括纳米激光发展的基本历史脉络和背景、各种不同的种类和特点、应用场景、目前发展状况、面临问题、未来趋势。不同种类的纳米激光器的主要区别在于激光腔和增益材料的不同,涉及的纳米腔结构包含纳米线状腔、回音壁式腔、Fabry-Pérot腔及金属等离子激元腔等;涉及的增益介质包括普通的化合物半导体和新兴钙钛矿、过渡金属硫族化合物等。
光电子学 半导体激光器 微腔器件 等离子体 纳米光子学及光子晶体 亚波长结构 半导体 中国激光
2021, 48(15): 1501002