納米光子學
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
納米光子學的實例教程
這種基于等離激元光學納米天線的酶分子周期振蕩特性的觀測將為深入研究細菌跨物種通訊、細菌與宿主細胞之間的通訊以及與細菌感染相關重大疾病的傳播機制提供了新方法，也為研究超級細菌耐藥性問題提供了新思路，還將為揭示生物系統中其他酶分子等生物分子的生物振蕩提供了新見解。
部分作者簡介
辛洪寶，暨南大學納米光子學研究院教授、副院長、博士生導師。本科和博士畢業于中山大學，之后在新加坡國立大學和加州大學伯克利分校進行博士后研究，于2018年7月加入暨南大學納米光子學研究院。長期從事生物光子學和微納光子學的研究，主要研究興趣包括光鑷與光學操控、光控生物微馬達與微納機器人、納米等離激元與生物分子探測等。任APL Photonics、中國激光等期刊青年編委。以第一/通訊作者在Nature Photonics、Nature Reviews Materials、Light: Science & Applications、Nature Communications等發表論文30余篇。課題組長期招聘博士后和青年教師。
論文信息
Lu, D., Zhu, G., Li, X. et al. Dynamic monitoring of oscillatory enzyme activity of individual live bacteria via nanoplasmonic optical antennas. Nat. Photon. (2023).
https://doi.org/10.1038/s41566-023-01265-2
文章來源：中國光學
展開 據美國海軍研究實驗室2018年1月4日報道，美國海軍研究實驗室NRL（Naval Research Laboratory）一個由物理學家組成的科研團隊已經找到改善六方氮化硼器件光學損耗特性和傳輸效率的手段，使得制備小型激光器和納米光學器件成為可能。
六方氮化硼（h-BN）由硼和氮原子組成的原子級薄晶格組成。最新研究證明，該材料是一種可用于紅外納米光子學的光學材料，被認為是二維材料的理想襯底材料。自然界中存在的硼由原子質量相差達10%的B-10和B-11兩種同位素組成。這兩種同位素的原子質量差異使得由聲子散射造成的光學性能大量損失，進而限制了該材料的潛在應用。
為此，科研人員制備了一種同位素純度超99%的六方氮化硼樣品，該樣品幾乎完全由B-10或B-11組成。“我們已經證明，可以通過在極性半導體和介電材料中精心設計同位素來克服納米光子學固有的效率限制。”該樣品能夠顯著降低六方氮化硼的光學損耗，與天然六方氮化硼相比，光頻振動模式的傳動距離和持久性都高出多達3倍。這種振動模式不僅使得六方氮化硼樣品具有近場光學和化學傳感特性，還為開發和制備具有相似性質的其它材料提供了一種可借鑒方法。
研究人員還包括來自于加州大學圣迭戈分校（University ofCalifornia San Diego）、堪薩斯州立大學（Kansas StateUniversity）、橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)、哥倫比亞大學（ColumbiaUniversity）和范德堡大學（Vanderbilt University）的科學家。
來源：新材料技術前沿
傳播最新最全的材料科學技術，包括金屬材料成形、熱加工、陶瓷冶金，機械加工、粉末冶金、表面處理技術、熱處理、3D打印技術等相關材料科學技術。
展開 在過去的幾十年中，電子和光子學取得了長足的進步，顯著改進了數據處理技術，使我們的生活發生了翻天覆地的變化。
表面等離子體光子學描述了在金屬-電介質界面上對光信號進行納米級（十億分之一米）操作。受光子學的啟發，表面等離子體光子學利用了金屬納米結構的獨特屬性，使得在近原子尺度下傳輸光信號成為可能。
在同一半導體芯片上集成傳統的光子學和電子學與表面等離子體光子學具有顯著的優勢，可創造出超高速的計算機芯片和光通信器件，并為超靈敏傳感器和顯微鏡提供動力。
什么是表面等離子體？
當加州理工學院的Atwater教授于2007年首次提出表面等離子體光子學概念時，他預測該技術將催生一系列應用，包括從超靈敏的生物傳感到隱身斗篷。
無論何種應用，表面等離子體光子學都依賴于在金屬-電介質界面操作電磁場和自由電子之間的相互作用——電介質是一種可在電場的作用下極化的絕緣體（如玻璃或空氣）。控制金屬電氣和光學屬性的自由電子會在電磁場（即光）中振蕩，并產生一種被稱為表面等離子體的現象。
什么是表面等離子體共振？
在納米級，自由電子被限制在微小的空間區域里，從而限制了其振動的頻率范圍。當與光相互作用時，自由電子會吸收與其振動頻率相匹配的光（同時反射其余部分的光），這意味著它們處于共振狀態，因此成為“表面等離子體共振”（SPR）。SPR可應用于納米棒、納米線、納米光子和其他形式的納米技術。
表面等離子體光子學的技術驅動因素
自首批基于芯片的半導體問世以來，我們這個數據驅動型社會已取得長足發展，并生產出了越來越小、越來越快的處理器。然而，器件尺寸不斷縮小給其自身帶來了挑戰，同時也使其受到熱問題和處理速度的限制。
光學互連，憑借其大帶寬（數據傳輸容量），提供了一種前景光明的解決方案。
展開 本專題將以“一期一會”的形式，攜手各領域專家，圍繞Ansys全產品線的技術優勢，帶您深入解析流體、結構、電子設計及電磁仿真、光學、光子學、半導體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關鍵領域，讓復雜的專業知識觸手可及。
在過去的幾十年中，電子和光子學取得了長足的進步，顯著改進了數據處理技術，使我們的生活發生了翻天覆地的變化。
表面等離子體光子學描述了在金屬-電介質界面上對光信號進行納米級（十億分之一米）操作。受光子學的啟發，表面等離子體光子學利用了金屬納米結構的獨特屬性，使得在近原子尺度下傳輸光信號成為可能。
在同一半導體芯片上集成傳統的光子學和電子學與表面等離子體光子學具有顯著的優勢，可創造出超高速的計算機芯片和光通信器件，并為超靈敏傳感器和顯微鏡提供動力。
什么是表面等離子體？
當加州理工學院的Atwater教授于2007年首次提出表面等離子體光子學概念時，他預測該技術將催生一系列應用，包括從超靈敏的生物傳感到隱身斗篷。
無論何種應用，表面等離子體光子學都依賴于在金屬-電介質界面操作電磁場和自由電子之間的相互作用——電介質是一種可在電場的作用下極化的絕緣體（如玻璃或空氣）。控制金屬電氣和光學屬性的自由電子會在電磁場（即光）中振蕩，并產生一種被稱為表面等離子體的現象。
什么是表面等離子體共振？
在納米級，自由電子被限制在微小的空間區域里，從而限制了其振動的頻率范圍。當與光相互作用時，自由電子會吸收與其振動頻率相匹配的光（同時反射其余部分的光），這意味著它們處于共振狀態，因此成為“表面等離子體共振”（SPR）。SPR可應用于納米棒、納米線、納米光子和其他形式的納米技術。
表面等離子體光子學的技術驅動因素
自首批基于芯片的半導體問世以來，我們這個數據驅動型社會已取得長足發展，并生產出了越來越小、越來越快的處理器。
展開 由蘇州大學功能納米與軟物質研究院為第一署名單位撰寫的論文在 2018年 10月24日出版的《Nature》雜志上發表（DOI: 10.1038/s41586-018-0618-9）。該工作主要介紹研究了面內各向異性和超低損耗聲子極化激元研究中取得的重要成果（如圖1），該研究發現被壓縮的納米光場在天然的各向異性二維材料α相三氧化鉬中的傳播具有各向異性，并且具有超長的壽命，為構建新型平面光學器件以實現低損耗的信號處理和光熱能量控制，以及高靈敏的生物化學傳感等開辟了新的通道。
圖1. 各向異性聲子極化激元在二維材料α相三氧化鉬表面傳播示意圖
未來的信息和通訊技術不僅僅依賴于對電子的操控，而且還得借助納米尺度下對光的調制。多年來，將光壓縮到很小的尺度并進行操控和調制一直是納米光子學的核心課題。目前，一種比較成功而有效的途徑是通過將光與物質中震蕩分布的電荷耦合形成極化激元。
固體（晶體）中包含了大量原子，晶體中的原子按照一定的規律排列，但是這些原子并不是靜止不動的，他們會在平衡位置處不斷進行振動，同時每個原子的振動都要牽動周圍的原子，使振動以彈性波的形式在晶體中傳播，如果個體相互之間的運動有規律則會呈現類似波浪的效果。而攜帶傳輸彈性波能量的量子化的最小單元就是聲子，因此往往用聲子的行為來描述晶體中的簡諧振動。當光照射到晶體上時，如果入射光的頻率和晶格的振蕩頻率一致，那么光和晶格共同的作用就會衍生出另外一種波（粒子），這種由光子和聲子耦合形成的新的準粒子就是聲子極化激元。
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而表面等離子體光子學納米技術，在微觀尺度（百萬分之一米）的光子學領域和納米尺度（十億分之一米）的電子領域之間架起了橋梁。
隨著研究人員能夠使用石墨烯等新型超材料，表面等離子體光子學的未來前景一片光明。一旦企業能夠生產出穩健、可靠且價格合理的等離子體器件，表面等離子體光子學納米技術將成為為新一代10GHz+集成電路板提供必要協同作用的關鍵。
<p>Ansys光學與光子學解決方案提供功能強大的設計、優化和驗證仿真軟件，可幫助設計師更快地開發出卓越的光學產品，同時提升產品的性能、可靠性和良率。在最新發布的2026 R1 新版本中，通過簡化的雜散光分析工作流程，Ansys Zemax OpticStudio 與 Ansys Speos for NX 之間強大的光學設計交換 (ODX) 以及實用的 NEST 容差，推動了光學和光子工程的發展；Synopsys
而表面等離子體光子學納米技術，在微觀尺度（百萬分之一米）的光子學領域和納米尺度（十億分之一米）的電子領域之間架起了橋梁。
隨著研究人員能夠使用石墨烯等新型超材料，表面等離子體光子學的未來前景一片光明。一旦企業能夠生產出穩健、可靠且價格合理的等離子體器件，表面等離子體光子學納米技術將成為為新一代10GHz+集成電路板提供必要協同作用的關鍵。
適合人群：電機設計工程師、電力電子工程師、PCB設計工程師
NO.4 Ansys Lumerical & Zemax & Speos 2026 R1新功能
核心價值：納米光子學、超透鏡、衍射光學仿真；光通信、半導體及高科技領域的仿真驅動工藝決策。
而隨著對高性能、多功能的納米光子學器件需求的日益增長，更高效、具有更高設計自由度的逆向設計方法得到了快速發展。
本次研討會我們將介紹基于Lumerical常見的逆向設計方法：粒子群優化（PSO）算法&直接二進制搜索（DBS）算法。分別介紹兩種算法的原理、差異及適用場景，并在Lumerical中對兩個典型器件進行仿真案例實操，助力您快速掌握從算法選型到結果驗證的全流程。
<p>當前，Ansys 2024 R2版本已正式發布，其最大亮點便是通過幫助客戶超越單一物理場仿真的限制，獲得對當今復雜產品性能的多維度洞察，進而重新定義產品設計的邊界。</p><p>Ansys 2024 R2新版本的增強功能更是<strong>專注于縮短運行時間，擴展容量，實現數字化轉型和提供硬件靈活性。</strong>這也使得Ansys多物理場仿真比以往更易于訪問，且功能更強大。</p><p>
納米光子學的進步，使熱發射在動量域和頻率域的調節成為可能。由于設計原理的復雜性，角度選擇熱發射比波長選擇熱發射更具挑戰性。早期試圖將熱發射轉向某一方向的嘗試僅限于窄光譜或特定極化，導致當在整個光譜中平均時，它們的角選擇性變得適中，因此它們的平均(8?14 μm)發射率(εave)和角選擇性是名義的。因此尚未報道實質性的定向輻射冷卻效應。
部分作者簡介
辛洪寶，暨南大學納米光子學研究院教授、副院長、博士生導師。本科和博士畢業于中山大學，之后在新加坡國立大學和加州大學伯克利分校進行博士后研究，于2018年7月加入暨南大學納米光子學研究院。長期從事生物光子學和微納光子學的研究，主要研究興趣包括光鑷與光學操控、光控生物微馬達與微納機器人、納米等離激元與生物分子探測等。
Ansys Lumerical是業界領先的光子學仿真工具，其擁有完整的光子學仿真解決方案，支持全套光子學器件級和系統級仿真。器件和系統級工具無縫協作，讓設計人員能夠對相互作用的光學、電氣和熱效應進行建模仿真。產品之靈活的互操作性支持將多物理場仿真和光子電路仿真與第三方EDA工具相結合的各種工作流程，以幫助優化產品性能、最大限度地降低物理原型制作成本并縮短產品上市時間。
Ansys Lumerical是業界領先的光子學仿真工具，其擁有完整的光子學仿真解決方案，支持全套光子 學器件級和系統級仿真。 器件和系統級工具無縫協作，讓設計人員能夠對相互作用的光學、 電氣和熱效應進行建模仿真。
產品之間靈活的互操作性支持將多物理場仿真和光子電路仿真與第三方EDA 工具相結合的各種工作流程， 以幫助優化產品性能、 大限度地降低物理原型制作成本并縮短產品上市時間
