智库时代 智者论道
基于等离激元的微纳光学器件研究
刘冬冬
（徐州工程学院数学与物理科学学院，江苏徐州 221018）
摘要：自21世纪以来，科技的进步，使我国迎来了科技迅猛发展的时代，越来越多更加精密和先进的设备出现在人们的生产生活之中。与此同时，各种设备与仪器对光学器件也提出了更高的要求，这也使人们将研究焦点转移至微纳光学中，从而推动了微纳光学器件的发展。因等离激元能够对衍射极限进行有效突破，这也使微纳光学的发展速度变得十分迅猛，微纳光学器件正变得越来越集成化、微型化。鉴于此，本文对基于等离激元的微纳光学器件进行深入的研究。关键词：等离激元；微纳；光学器件中图分类号：TH74
一、引言
微纳光学作为近些年来新兴的一门科学，其主要是对微米至纳米单位规格下的光学现象进行研究，当光在传播过程中处于微米乃至纳米规格时，其自身的光学特性会发生质变，这种质变往往会产生许多奇特性质，而在宏观现象下是难以观察到的。随着微纳光学的发展，其逐渐渗透至工程制造领域以及材料学领域，这也使集成电路工艺水平得到了迅猛的提高，在此过程中也带动了微纳光学器件的发展。通过将微纳加工技术与微纳集成光学进行不断的交叉与融合，并对等离激元可突破衍射极限的机理进行分析，必将使光学器件的研究取得巨大突破和进步。为此，以下便对基于等离激元的微纳光学器件进行深入的研究。
二、微纳光学器件的研究现状
时至今日，微纳光学在光学领域研究中正占据越来越重要的地位，这也使诸多学者纷纷对微纳光学器件进行大量的研究。我国制造工艺水平的不断提高，使微纳光学器件得到了广泛的推广与使用，这也使其在光通信以及光信息处理中发挥着至关重要的作用，同时其还进一步渗透至化学传感、光学成像、生物学等诸多领域。微纳光学作为一门由多个学科相互交叉而产生的新学科，其在能源利用、光刻技术中发挥着至关重要的作用，各个国家也对微纳光学的研究变得更加关注，并在全世界范围内掀起了新一轮的研究热潮。现阶段、美国、日本对微纳光学器件的研究已经达到了世界领先水平，其研究成果也已开始实现产品化应用，而我国对微纳光学器件的研究则尚处于深入与推广阶段，不过微纳光学器件的研究前景却是非常光明的，其在信息处理光子化中必将发挥最大作用，这也将促使我国在微纳光学器件发展上变得越来越集成化与微型化。在未来的很长一段时间，微纳光学器件都将成为我国在光学领域中的研究重点。
文献标识码：A
文章编号：2096-4609（2019）41-0261-002
而外界电磁场在对这些物质进行作用时，物质的微观原子尺寸会给外界电磁场作用带来巨大影响。如果物质材料中的微观原子要比电磁波的波长给ippih，便需要通过平均化来处理电磁场。在电磁学领域中，人们在对物质材料进行描述时，往往会采用磁导率以及物理量介电常数，在自然界中现有的物质中，无论是磁导率还是介电常数，其数值全部都是正值，而且均与右手螺旋定律相符。人们对电磁现场的不断研究，使人工电磁超材料的制造逐渐成为可能。所谓人工电磁超材料，是自然界中并不具有的材料，这些材料往往具有自然界所不具有的物理现象，而且其材料结构是人工制造的。人工电磁超材料的特性是由其结构所决定的，因此在利用不同材料来对超材料进行设计时，只要材料结构的设计得当，便可对其磁导率及介电常数进行控制，这也使人工电磁超材料的设计变得非常灵活。超材料有着许多种类，依据其等效媒质结构的差异，可将其划分为零磁导率材料、零折射率材料、左手材料以及零介电常数材料等，根据材料的工作方式，可将其划分为非谐振型与谐振型超材料。超材料的提出，使其给我国科学界带来了极为深远的影响，并在短短的十几年里出现了许多新颖的超材料。双曲超材料便是其中一种，该材料具有双曲色散特性，其在各向异性介质中有着很大的应用价值。其介电常数是以主轴为方向进行分布的，各个分量的正负相异。双曲超材料因介电常数张量对角符号所产生的正负差异，会使频面图像呈现出双曲线。该超材料不具备波矢截止，并且其工作频率不会接近谐振频率，这使其能够在集成光学以及量子光学领域中进行广泛应用。
（三）表面等离激元
所谓表面等离激元，是在外界磁场的作用下，使金属表面中的电子被激发，以此形成集体震荡，进而产生大量的电荷密度波，表面等离激元的电磁现象是入射光子在照射
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三、等离激元器件的类型与应用（一）石墨烯等离激元
在自然界中，石墨是一种由碳元素组成的常见物质，而石墨烯则是石墨的另一种衍生物质，其在成键原理上与石墨较为相似，石墨烯的结构是以单层碳原子按照六角环的方式进行排列，从而使其结构看起来像蜂窝状，结构内部的晶格排列非常紧密。在石墨烯结构中，其碳原子与其相邻的碳原子会按照sp2的杂化方式来形成相应的共价键，而另一个未成键电子则会与片层垂直的轨道中进行成键，从而产生对应的大π键，该π键可在晶体中进行版面上移动。对于石墨烯来说，其通过原子堆叠，使碳原子在堆叠的作用下得以剥离出石墨烯，进而生成非常薄的石墨片。可以说，石墨烯的薄度是所有物质中最小的，目前人们已经可以采用多种方法来制作石墨烯，如微机械分离法、化学气相沉淀法等，而关于利用表面等离激元来激发金属材料，石墨烯的出现，使其正逐渐成为诸多专家与学者的研究焦点。因石墨烯在电子能带结构上较为特殊，这也使金属表面等离激元和石墨烯等离激元存在许多差异，以往的等离激元材料难以进行人工，而石墨烯等离激元则可有效弥补该不足。石墨烯所具有的可控性，因其费米能级可利用化学掺杂与外加电压进行控制，在未掺杂时，石墨烯为零带隙，而在化学掺杂后，其带隙便会出现变化，再加上仿置电压，从而使石墨烯中的载流子浓度发生变化，进而使石墨烯费米能级得以改变，这也使石墨烯等离激元产生了许多出人意料的现象，从而使等离激元的作用得到了极大扩展。石墨烯等离激元所产生的共振频率是可连续可调的，其频率范围在中红外至太赫兹之间，这也使其在军事、生物传感、光学通信等领域中发挥着很大的作用。
（二）石墨烯超材料
微观原子是物质材料的主要构成物质，
智者论道 到金属表面时，其表面的自由电子会和光子发生作用，从而形成自然界所具有的电磁现象。表面等离激元主要包括局域表面等离激元以及表面等离极化激元。对于等离激元的激发方法来说，大多是采用棱镜来进行激发的，也可采用光栅耦合或近场激发等方式。近年来，我国对表面等离激元的不断研究，使表面等离激元器件能够有效突破以往的衍射极限，这也使表面等离激元器件在诸多领域中得到了推广与应用。表面等离激元具有远程传播、增强局域电场以及选择性光散射等应用优势，这些优势也促使了表面等离激元器件在能源材料以及生物医学等领域中得到了广泛的应用。例如表面等离激元开关、传感器等，表面等离激元能够对以往的衍射极限进行突破，这使其在光信息处理以及超分辨成像技术中具有巨大的应用优势。而我国诸多学者也对表面等离激元的波导进行了更多的研究。
四、基于等离激元的微纳光学器件研究（一）石墨烯双曲超材料
等效媒质理论的提出，为我国对人工电磁超材料的研究提供了大量的理论基础，根据等效媒质理论，可为人们在对人工电磁超材料的研究与设计提供帮助，此外等效媒质理论还能帮助人们对人工电磁超材料所具有的电磁参数进行提取。在对复合材料所具有的电磁特性进行研究时，根据媒质理论，使媒质成为相应的周期或准周期，然后利用解析方法来分析电磁结构。考虑到解析结构无法采取直接手段来获得，因此需要利用仿
真模型或实验测量等方式来对其结构进行分析。等效媒质理论侧重于对人工电磁超材料所具有的入射波长进行应用与研究，其通过宏观等效电磁参数来对超材料的结构进行分析，也就是利用磁导率以及介电常数。在对石墨烯双曲超材料的波导特性进行研究与分析时，需要利用数值仿真软件来仿真波导结构，在不同的波导结构下，石墨烯双曲超材料的有效波导折射率会存在不同程度的差异。波导结构的模式越高，则其波导折射率也就越高。因石墨烯电导率能够借助于化学势来进行调节，当化学势逐步增加时，则其等效折射率会随之降低，可以说，波导折射率的高低会在很大程度上受到化学势的影响，由此也可以了解到石墨烯双曲超材料的介质多层结构，可提高折射率，并可使波导折射率得到有效控制。
（二）MIM波导共振器
MIM波导结构又被叫作金属-介质-金属，其也是激发表面等离激元的主要方法，该波导结构能够将电磁波传播到很远的距离，并且电能损耗非常小，这也使表面等离激元的局域效果变得非常明显。在MIM波导结构中，其金属夹杂了单层介质材料。MIM波导结构与三明治结构较为相似，但表面等离激元对电磁波的传播主要集中在介质和金属交界之中，考虑到表面等离子体仅在TM偏振波中产生，这也使该波仅在电磁环境中进行传播，而不具有无磁场分量。
五、结语
总而言之，随着科学技术的发展，等离
智库时代 激元微纳光学器件的研究也变得愈发深入，其在各个领域中的应用价值也得以不断凸显出来，在此过程中，人们必须积极开展等离激元微纳光学器件的研究，以此不断诞生出更多种类的等离激元微纳光学器件，充分发挥其器件功能，使其在各个领域中得到充分的运用。
【作者简介】刘冬冬（1981-），男，博士，副教授，研究方向为高等教育、表面等离子体光子学、微纳光子学。
【课题项目】江苏省高等学校自然科学研究面上项目，基于电磁诱导透明及吸收效应的等离子体亚波长结构器件,项目编号：16KJB140016；徐州工程学院自然科学培育项目，新颖超材料等离子体波导设计及等离子体诱导透射效应研究,项目编号：XKY2018122。
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况与其年终绩效考核、岗位调任、评级评职称相互挂钩。定期安排医院人员进行外出进修学习，并根据临床需求制定相应进修计划和进修目标，在进修学习结束后要根据学习心得提交论文，并举办专门的学术研讨会及座谈会来进行汇报学习交流，最终不断强化综合医院内部临床医生整体素质。
三、结语
我国综合医院基于对科学技术及卫生环境的双重开发,已经逐渐开始向医院人力物力追寻双重发展，并希望以此推动医院建设，继而实现科教兴院和人才强化的目标，亦作为新时期我国综合医院建设的价值所在。我国科学技术的发展，也使得综合性医院的建设更加科学高效，并且为我国医院建设的发展提供了一定的借鉴作用。但是，在现阶段综合性医院的实际建设中，存在着部分问题，已经严重阻碍了建设发展，使得我国综合性医院建设发展的基本理论教条和目标无法实·262·
现，各项工作无法落实，工作效率较为低下。因此，现阶段强化我国综合性医院高效建设，探索相关综合医院科教管理的工作稳定落实，已经成为当下必须要进行解决的问题。
面对竞争日益激烈的医疗市场，依据我国综合性医院科教管理工作的具体要求，科教工作重要性日益显现，“科教兴院”已成为医院发展的重要理念，本文就综合医院科教管理模式的创建和应用，从科研、教学、继续教育、重点人才管理等方面进行规范和创新，创建医院科教管理模式，并进行应用，完善科教管理机制。强化综合医院内部管理模式，建立高素质人才队伍，明确具体责任划分，强化医院内部工作人员的协调性，继而不断提升工作效率效果。此外，科教管理需要保障科研工作及教育工作的及时高效开展，不断规范医院科教管理工作职能，树立正确教育方向，规范管理措施，提升教育效果。不断创新完善医院科教管理的模式手段，创新思路理念，建设现代化管理模式，建立科学高效的管理制度，实现科教管理工作与
医院实际运行共同协调发展。相信通过持续的管理建设，我国综合医院的竞争力将会不断提升，医院发展会得到持续高效进步。
【作者简介】李珣（1984-），女，本科，中级政工师，研究方向为科教。
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