第1章 绪论
微纳光子学 (micro/nano-photonics) 关注微纳尺度上光学及光子学的新现象与新技术，着重讨论在微纳尺度上的光与物质相互作用的规律，以及光的产生、传输、调制、探测等方面的应用。在过去的几十年里，纳米制备工艺的进步，促进了微纳表征技术和微纳光子学的快速发展。本章将简要介绍微纳表征技术、光场调控技术、微纳光子学前沿领域和微纳结构光子器件，最后简要概述本书各章的内容。
1.1 引言
微纳光子学是由光子学和纳米技术融合定义的，是一个新兴的前沿领域，为基础研究带来了挑战，也为新技术带来了机遇。微纳光子学研究在微纳尺度上光与物质的相互作用及其应用。微纳光子学已经在市场上产生了影响，这是一个多学科领域，为物理、化学、应用科学、工程和生物学以及生物医学技术创造了机会。如图 1.1 所示，微纳光子学在概念上可分为三个部分[1]。在微纳米尺度上诱导光与物质相互作用的第一种方法是将光限制在远小于光波波长的纳米尺度上，即微纳米级辐射限制。第二种方法是将物质限制在微纳米尺度上，从而将光与物质之间的相互作用限制在微纳米级上，即物质的微纳米级限制。最后一种方法是光过程的微纳米级限制，即微纳米级光过程。我们在其中诱导光化学或光诱导相变。这种方法为光子结构和功能单元的微纳米制造提供了方法。
图 1.1 微纳米光学科学与技术[1]
让我们看看微纳米级的辐射限制。有许多方法可以将光限制在纳米尺寸上。其中之一是使用近场光传播，我们将在本书的第 3 章详细讨论。一个例子是通过 金属涂层和锥形光纤来压缩光，使光通过远小于光波波长的尖端开口发射。
制备用于光子学的纳米材料涉及限制物质尺寸，以及制备微纳米结构的各种方法。例如，可以利用具有独特电子和光子特性的纳米颗粒。令人欣慰的是，这些纳米颗粒已经被用于纳米光子学的各种应用，如防晒乳液中的紫外线吸收剂。纳米颗粒可以由无机或有机材料制成。纳米聚合物是单体有机结构的低聚物 (少量重复单元) 的纳米尺寸，是纳米颗粒的有机类似物。相反，聚合物是包含大量重复单元的长链结构。这些纳米聚合物表现出与尺寸相关的光学性质。金属纳米粒子表现出独特的光学响应和增强的电磁场，构成了 “等离激元” 区域。然后是纳米颗粒，它们将两个吸收的红外光子上转换为可见–紫外范围内的光子；相反，有一种被称为量子切割器的纳米颗粒，可以将一个被吸收的真空紫外光子下转换为可见光范围内的两个光子。纳米材料的热点领域之一是光子晶体，它代表一种周期性的介电结构，具有光波长量级的重复单元。纳米复合材料包括两种或两种以上不同材料的纳米畴，这些材料在纳米尺度上相分离。纳米复合材料中的每个纳米畴都可以赋予体介质特定的光学性质，还可以通过不同域之间的能量传输 (光通信)来控制光能流。
纳米级光刻工艺可以用来制作微纳结构。这些微纳结构可用于形成纳米级传感器和致动器。纳米级光学存储器是纳米制造中令人兴奋的概念之一。纳米制造的一个重要特征是，光过程可以限制在定义良好的纳米区域内，从而可以在精确的几何结构和排列中制造微纳结构。
1.2 微纳表征技术概述
微纳表征技术是微纳光子学的重要组成部分，是纳米技术的核心。光学技术，如近场扫描光学显微术 (near-field scanning optical microscopy)、椭偏仪 (ellipsometer)和微椭偏仪 (micro-ellipsometer) 等在微纳表征中发挥着重要作用。原子力显微镜 (atomic force microscope)、扫描电子显微镜 (scanning electron microscope)和透射电子显微镜 (transmission electron microscope) 等非光学技术是对光学技术的补充。新的光学技术继续突破其表征能力的极限。将不同技术集成到一个系统中的趋势日益增加。与此同时，这些技术的结合提供了前所未有的空间分辨率、精度、信噪比、灵敏度和光谱分辨率。另外，微纳光子学的发展为许多其他领域提供了巨大机遇。
微纳表征的内容包括了材料性能、微观结构和成分的测试与表征。材料的性能是由其结构决定的。描述或鉴定材料的结构涉及它的化学成分，组成相的结构及其缺陷的组态，组成相的形貌、大小和分布，以及各组成相之间的取向关系和界面状态。所有这些特征都对材料的性能有着重要的影响。表 1.1 列出了微纳结构材料在尺寸、形貌、结构和成分等方面的表征参数。
表 1.1 材料特性与表征参数
用于材料微观结构和化学成分分析的实验方法主要有显微法、衍射法和谱学法等。显微法主要包括近场扫描光学显微术、扫描电子显微术、表面等离激元显微术 (surface plasmon microscopy)、白光干涉术 (white light interferometry) 和散射仪 (scattero-meter) 等；衍射法主要包括 X 射线衍射 (X-ray diffraction，XRD)、电子衍射和中子衍射等；谱学法主要包括俄歇电子能谱 (Auger electron spectroscopy)、能量色散 X 射线光谱 (energy dispersive X-ray spectroscopy， EDS)和吸收分光光度法 (absorption spectrophotometry) 等。不同的实验方法和仪器可以获得不同方面的结构和成分信息。表 1.2 列出了测量材料特性及相应的微纳表征技术。
表1.2 材料特性与典型的微纳表征技术
每种分析方法或检测技术都是针对特定研究内容的，并有一定的适用范围和局限性。因此，在选用微纳表征技术时必须根据具体问题的研究内容和研究目的，选择合适的方法和手段来进行研究，必要时要采用多种手段进行综合分析来确定影响材料性能的各种因素。在此基础上才有可能采取相应的措施来改善材料的性能。目前微纳表征仪器设备的发展趋势是多种分析功能的组合，这使人们能在同一台仪器上进行形貌、成分和晶体结构等多种微观组织结构信息的同位分析。
1.3 光场调控技术概述
随着科学研究的深入和科学技术的发展，激光已经被广泛应用于国防、工业和医疗等领域，因此灵活地调控激光以获得更加丰富的光场成为非常紧迫的需求。光场调控一般可分为空域、时域以及时空域联合调控。
作为光的重要特性之一，偏振同时也赋予了光场的矢量属性。利用光场的矢量特性，以及其与物质相互作用的能力，人们设计出了众多的光学器件和光学系统。在过去的研究中，人们通常只考虑偏振态 (state of polarization) 在空间均匀分布的光束，例如线偏振光、椭圆偏振光以及圆偏振光。随着对激光研究的不断深入以及各种需求的驱动，这种偏振态均匀分布的光场已显现出局限性。人们对光场进行了有效的空域调制，尤其对光场偏振态的空域调控，创造了具有奇特性质的新型空间结构光场，为操纵光传播行为提供了新的思路。作为最经典的两种柱矢量光场 (cylindrical vector field)，径向偏振光 (radially polarized beam) 和角向偏振光 (azimuthally polarized beam) 早在 1972 年就被提出[2，3]。此后，人们进一步研究了柱对称的局域线偏振矢量光场在紧聚焦方面的性质，例如，远场的光学超衍射极限聚焦[4]、具有极长焦深 (depth of focus， DOF) 的纵向电场[5]、光学牢笼[6] 和光学锁链[7] 等。
随着对矢量光场研究的深入，人们不再局限于柱对称的局域线偏振矢量光场，并在柱坐标系中得到了包含线偏振、圆偏振和椭圆偏振的杂化偏振矢量光场 (hybridlypolarized vector field)[8，9]。此外，庞加莱球也被广泛应用于新型矢量光场的设计，生成了全庞加莱光束 (full Poincaré beam)[10]、高阶庞加莱光束[11]、杂化阶庞加莱光束[12] 和广义庞加莱光束[13] 等。
近年来，人们逐渐意识到对光场的模式调控不应当局限于偏振态这一单个参量，其振幅和相位模式的改变同样会影响光场的空间构型[14] 和偏振态分布[15]，并具有新颖的传播特性[16] 及应用前景[17，18]。因此，光场调控的研究方向由仅实现偏振态单一参量的调控向可实现偏振、相位、振幅多模态独立调控的方向进行转变，同时也在提高调控效率方面提出了更高要求。最近人们对矢量光场的优化生成方案及矢量光场在三维空间中的结构设计、参量调控与传播特性等方面进行了系统研究，生成了多种三维多模态矢量光场，例如，无衍射贝塞尔光束 (non-diffractingBessel beam) 的轴上偏振态和强度控制[19]，多聚焦平面的偏振态独立调控[20]，偏振和相位涡旋变化的三维轨迹焦线[21] 等。
传统的光场调控技术集中于利用光束整形或是脉冲整形技术对入射光束或入射脉冲进行调控，调控得到的光场在时间域和空间域内的分布相互独立，即光场在时空域内的分布可以写成时域脉冲与空域光束乘积的形式。随着超快激光技术以及光场调控技术的不断发展，越来越多的研究者开始关注调控生成并利用时空光场。不同于传统光场，时空光场在时空域内的分布相互耦合，这使得时空光场可以具备传统光场所不具备的新型光子学特性。例如，詹其文等[22] 利用光脉冲整形器在空间频率–频率面施加涡旋相位，实现了携带纯的光子横向轨道角动量的光场。这种时空涡旋光场在二次谐波产生过程中满足光子横向轨道角动量守恒[23]。此外，当时空光涡旋与其他光学奇点 (例如空间域内的相位奇点、空间域内的偏振态奇点) 相结合，可以产生具有任意轨道角动量指向以及可以同时携带多种光学奇点的新型时空光场[24]。这些新型时空光场在传播、聚焦条件下可以具备多物理量的复杂时空分布，极大地丰富了未来关于光子自旋–轨道角动量耦合研究的工具库。
1.4 微纳光子学前沿领域概述
微纳光子学这种关注微纳米尺度下的光学和光子学现象、效应和应用的新兴学科，结合了光子学与微纳制备和表征技术的前沿结果，不仅仅是整个光学与光子学学科发展的前沿方向，也是新型光电子产业的重要发展方向。近年来微纳光子学的蓬勃发展，衍生出众多发展良好的前沿领域。本节我们将简要介绍几种典型微纳光子学前沿领域的发展历程、研究现状和前景展望。
1.4.1 微波光子学
微波光子学 (microwave photonics) 是传统微波技术和光子学结合的产物。随着微波技术的发展，频谱资源日益紧缺，开发、拓展新的可用频段成为微波学科最前沿的研究课题。然而，随着微波频率的增加，微波传输介质的传输损耗显著增加，这导致使用频率的高频扩展受限。除传输之外，高频电磁波的产生和处理也受到电子器件速率瓶颈的限制。于是，人们开始考虑采用光子学的理论与技术解决微波领域利用传统电子学方法难以解决的问题。为了解决其中的基本理论和关键技术问题，形成了一个新兴交叉学科——微波光子学。
在微波光子学中，微波光子链路取代了传统微波链路，作为微波光子系统的基本构成单元，主要完成微波信号与光信号之间的相互转化以及传输的任务。在输入端，微波信号通过电光转换加载到光载波上，被调制的光载波经过光传输介质被传输到接收端，经过光电转换后得到微波输出信号。与传统的微波系统相比，微波光子系统具备带宽大、损耗低、质量轻以及抗电磁干扰等优势，因此可以解决 “电子瓶颈” 的问题，并且可以实现很多传统微波系统难以实现的功能。微波光子学的基本原理研究可以追溯到微波技术产生的初期。在 20 世纪 70 年代，新型半导体激光器、高速光调制器和探测器以及低损耗光纤的研制成功为微波光子学的发展提供了技术基础。目前，微波光子学已经受到广泛关注，在无线通信、仪器仪表以及国防诸多领域有着重要的应用前景[25]。
微波光子学的研究内容十分广泛，包括微波信号在光域的产生、传输、控制和处理等。利用光学方法产生高频微波信号可以缓解传统微波器件的压力，主要包括光外差法
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