利用掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡針尖實(shí)現(xiàn)對(duì)光子晶體的直接調(diào)諧與成像

1、    利用掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡針尖實(shí)現(xiàn)對(duì)光子晶體的直接調(diào)諧與成像作者：D.JasonPalmer光子晶體（PC）是納米光子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，它可以將光限制在納米尺度的光學(xué)微腔中。然而，控制光子晶體微腔（PC-MC）的特性并不是一件輕而易舉的事。最近，通過(guò)提高掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOM）的功率，研究人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)PC-MC的直接調(diào)諧與成像。PC-MC的應(yīng)用非常廣泛，包括光學(xué)傳感、腔量子電動(dòng)力學(xué)（QED）實(shí)驗(yàn)以及高性能光通訊器件等。Q值是衡量PC-MC性能的主要指標(biāo)，它與損耗成反比。光子晶體的最大優(yōu)點(diǎn)是具    作者：D. Ja

2、sonPalmer    光子晶體（PC）是納米光子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，它可以將光限制在納米尺度的光學(xué)微腔中。然而，控制光子晶體微腔（PC-MC）的特性并不是一件輕而易舉的事。最近，通過(guò)提高掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOM）的功率，研究人員實(shí)現(xiàn)了對(duì)PC-MC的直接調(diào)諧與成像。    PC-MC的應(yīng)用非常廣泛，包括光學(xué)傳感、腔量子電動(dòng)力學(xué)（QED）實(shí)驗(yàn)以及高性能光通訊器件等。Q值是衡量PC-MC性能的主要指標(biāo)，它與損耗成反比。光子晶體的最大優(yōu)點(diǎn)是具有很高的Q值。    光子晶體具有完美的光學(xué)帶隙結(jié)構(gòu)，類

3、似于固態(tài)電子學(xué)中的電子帶隙結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變電介質(zhì)層上孔之間的距離，可以改變光子晶體的光學(xué)帶隙特性。光子晶體中的量子點(diǎn)相當(dāng)于局部光源，Q值可以高達(dá)106，而通常固態(tài)微腔的Q值只有103。光子晶體具有很小的模場(chǎng)體積，因此為光子器件的集成創(chuàng)造了條件。    光子晶體器件的性能對(duì)制造工藝和材料的微觀特性十分敏感。目前的制造工藝還不能滿足量子物理實(shí)驗(yàn)對(duì)光子晶體的精度要求和工業(yè)應(yīng)用對(duì)光子晶體的可調(diào)性要求。    那么怎樣調(diào)諧PC-MC的特性呢？不可逆的方法包括對(duì)材料進(jìn)行后處理，如對(duì)孔做進(jìn)一步蝕刻。意大利科學(xué)家Francesca Intonti和他的

4、同事將液體滲透到光子晶體的孔陣列中，通過(guò)精心改變液體的折射率和非線性特性，可以控制局部電介質(zhì)的材料特性，進(jìn)而控制薄片上單個(gè) PC-MC的特性。1  圖: 利用SNOM測(cè)量的PC-MC的基模電場(chǎng)分布。     改變腔模式    目前，Intonti和其他研究人員已經(jīng)采用另一種可逆的方法調(diào)諧PC-MC的特性，該方法由瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Vahid Sandoghdar在2005年首次提出。2這種方法利用SNOM對(duì)PC-MC進(jìn)行擾動(dòng)和成像。由于亞波長(zhǎng)尺度的針尖有效地增加了絕緣材料的面積，同時(shí)PC-MC諧振頻率的移

5、動(dòng)與針尖的極化率成反比，針尖引入的損耗與極化率的平方成正比。因此，腔?？梢园l(fā)生顯著變化，既沒(méi)有引入較大的損耗，同時(shí)又保持了腔的高Q值。    PC-MC由三層砷化銦量子點(diǎn)組成，砷化銦層懸掛在一層320nm厚的砷化鎵薄膜上。微腔區(qū)域由4個(gè)缺失孔按照鉆石形狀排列組成，缺失孔位于三角孔陣列的中部。研究小組使用玻璃SNOM針尖收集量子點(diǎn)發(fā)出的熒光信號(hào)，結(jié)果表明，針尖相當(dāng)于增加介電材料的面積，它改變了PC-MC的局部介電常數(shù)，從而導(dǎo)致腔膜紅移幾個(gè)納米。    研究表明，通過(guò)改變針尖與PC-MC表面的距離或者改變耦合進(jìn)入SNOM針尖的光強(qiáng)，可以控

6、制諧振的移動(dòng)。Intonti表示：“針尖導(dǎo)致的諧振移動(dòng)與微腔本征模的電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，因此調(diào)諧強(qiáng)度的空間圖相當(dāng)于對(duì)微腔本征模進(jìn)行直接成像，同時(shí)將最小空間分辨率提高到原來(lái)的1/6。這種方法將測(cè)量精度提高到了一個(gè)前所未有的高度。”     改變局部折射率    因?yàn)镾NOM針尖的存在擴(kuò)大了腔的線寬，因此可以獲得針尖導(dǎo)致?lián)p失的空間圖。3研究還發(fā)現(xiàn)，耦合進(jìn)入針尖的激光可以增加微腔的溫度，從而導(dǎo)致GaAs的折射率發(fā)生局部改變。改變局部加熱的位置也可以實(shí)現(xiàn)PC-MC的調(diào)諧。4    Intonti表示：“利用

7、針尖實(shí)現(xiàn)光子晶體的調(diào)諧具有局部、連續(xù)和可逆的特點(diǎn)，因此可以應(yīng)用在單個(gè)原子與單個(gè)腔模之間發(fā)生強(qiáng)烈耦合的量子電動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域。一旦條件滿足，可逆特性使系統(tǒng)在強(qiáng)耦合和弱耦合之間發(fā)生切換，因此可以實(shí)現(xiàn)以光子晶體為基礎(chǔ)的光開(kāi)關(guān)，應(yīng)用在一系列光子器件上，如分插復(fù)用濾波器、低閾值激光器和集成的二維光子晶體片?！庇捎谠摲椒梢垣@得以前無(wú)法獲得的腔模信息，研究人員打算用它研究一些光子器件的特性，而這些器件以前都是利用液體滲透方法研究的。    Vahid Sandoghdar表示：“這項(xiàng)工作非常有意義，而且理論與實(shí)驗(yàn)比較吻合。實(shí)現(xiàn)光子晶體和SNOM技術(shù)的集成是目前的技術(shù)難點(diǎn)，它限制了該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。目前的研究成果對(duì)于QED實(shí)驗(yàn)者而言有重要意義，利用該項(xiàng)技術(shù)可以非常容易地將光子晶體模式調(diào)整到量子點(diǎn)模式?！?#160;   隨著這種方法的改進(jìn)，多功能、集成的納米光學(xué)系統(tǒng)，如光學(xué)過(guò)濾器和光開(kāi)關(guān)，都將成為光子晶體與現(xiàn)有的微電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。     參考文獻(xiàn)1.Intonti et al. Appl.Phys. Lett. 89, 211117 (2006).2.Koenderink et al.