【正文】 按頻率分段圖（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）傳統(tǒng)光學(xué)只研究可見光與物質(zhì)的相互作用，而現(xiàn)代光學(xué)已擴(kuò)展到對(duì)全波段電磁波的研究。從低頻到高頻，電磁波可以分為：無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外光、X射線和γ射線等，人眼可見波長在380nm至780nm之間，如圖1所示。從1987年至今，各領(lǐng)域?qū)鈱W(xué)微納結(jié)構(gòu)的研究一直在迅猛發(fā)展。無論何種波動(dòng)形式，只要其受到相應(yīng)周期性的調(diào)制，都將有類似于電子的能帶結(jié)構(gòu)同樣也都可能出現(xiàn)禁止相應(yīng)頻率傳播的帶隙。同樣的，固體物理晶格中的許多概念都可以類似的運(yùn)用到光子晶體中，諸如倒格矢空間、布里淵區(qū)、色散關(guān)系、Bloch函數(shù)、Van Hove奇點(diǎn)等物理概念。根據(jù)空間的周期性分布的不同，光子晶體可以分為一維、二維和三維光子晶體，如圖2所示。首先，光子晶體具有光子帶隙。當(dāng)向光子晶體中引入缺陷或雜質(zhì)時(shí)，光子禁帶中會(huì)出現(xiàn)缺陷態(tài)，與缺陷態(tài)頻率吻合的光子會(huì)被局限在缺陷位置。當(dāng)引入點(diǎn)缺陷時(shí)，光將被局限在某個(gè)特定位置，還可以形成高品質(zhì)的光學(xué)微腔[8]，如圖5為二維光子晶體中高品質(zhì)因子微腔的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9]；當(dāng)引入缺陷時(shí)，形成光子晶體波導(dǎo)可以從根本上實(shí)現(xiàn)光轉(zhuǎn)彎時(shí)的高效率傳輸[10]，圖6為二維光子晶體波導(dǎo)的結(jié)果[11]；若把光子晶體沿某個(gè)方向切開，由于其平移對(duì)稱性的破壞，將會(huì)形成表面態(tài)，通常也叫表面缺陷。彎折波導(dǎo)的彎折效率圖7. 三維光子晶體及其表面態(tài)(a) 三維光子晶體示意圖及表面布里淵區(qū)(b)三維光子晶體的投影能帶(c)存在表面的三維光子晶體投影能帶(d)表面態(tài)的場(chǎng)分布除了上述的兩種性質(zhì)外，光子晶體材料還有豐富的色散特性。圖8. 光通過光子晶體時(shí)的負(fù)折射行為（圖片來自網(wǎng)絡(luò)） 金屬結(jié)構(gòu)的表面等離激元金屬微納結(jié)構(gòu)的表面等離激元是近年來的研究熱點(diǎn)。圖9. 表面等離激元模式的電場(chǎng)在界面分布的示意圖和場(chǎng)分布沿Z空間變化的情況當(dāng)金屬表面存在周期性結(jié)構(gòu)時(shí)，我們可以類比光子晶體中的電磁波，表面等離激元（SPs）作為一種表面波，在周期性結(jié)構(gòu)的調(diào)制下也能夠形成獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)。1998年，Ebbesen等人發(fā)現(xiàn)在打了周期性亞波長納米級(jí)空洞的厚金屬膜上存在著超強(qiáng)的可見光透射峰[18]，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11(a)所示。由于基本單元遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相應(yīng)尺度的電磁波長，周期性對(duì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)沒有很大的影響。通過頻率選擇或者結(jié)構(gòu)調(diào)控這些電磁共振，就可以調(diào)控超構(gòu)材料的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，甚至得到負(fù)的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率[2122]。圖12 (a)超構(gòu)材料典型的單元開口環(huán)結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片 (b)利用超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)圖13. 超透鏡成像示意圖b. 隱身材料和變換光學(xué)超構(gòu)材料的發(fā)現(xiàn)，使得我們可以自由設(shè)計(jì)材料的有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。此外，通過變換光學(xué)和超構(gòu)材料，我們還可以在理論和實(shí)驗(yàn)上模擬很多經(jīng)典物理學(xué)現(xiàn)象，如圖14(b)所示為模擬光學(xué)黑洞。這種技術(shù)最先被應(yīng)用于制備三維光子晶體的實(shí)驗(yàn)上。為了得到有序的光學(xué)結(jié)構(gòu)和較好的光學(xué)效應(yīng)，自主裝所用的膠體小球的單分散性一般不得超過8%。這里著重介紹微腔毛細(xì)法，該方法首先由華盛頓大學(xué)的夏幼南教授課題組提出[30]。利用這個(gè)方法可以制備各個(gè)形狀的膠體小球晶體。如圖16所示，與電化學(xué)沉積的方法相結(jié)合，通過控制電化學(xué)沉積的時(shí)間來控制金屬膜的厚度，可以制備出不同形貌的金屬反球腔結(jié)構(gòu)。利用機(jī)械壓軋?jiān)?，納米壓印能夠?qū)崿F(xiàn)比光子和電子衍射極限更高的分辨率。圖17 納米壓印過程示意圖（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）三、 實(shí)驗(yàn)表征手段 光譜測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于光學(xué)微納結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)表征，最主要的就是結(jié)構(gòu)光學(xué)性質(zhì)的表征，其中最常用的就是對(duì)結(jié)構(gòu)的光譜測(cè)量?；蛘吒撸軌蚍奖愕膶?shí)現(xiàn)反射光譜測(cè)量（Θ角入射，Θ角反射）、衍射光譜測(cè)量（0度角入射，Θ角衍射）、背反射光譜測(cè)量（Θ角入射，反入射方向測(cè)量）等一系列的角分辨光譜測(cè)量方法。為了進(jìn)一步在這一開創(chuàng)新工程上邁進(jìn)，我們就需要很好的觀察、探測(cè)手段。掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的使用也為我們?cè)谶M(jìn)一步研究微納光學(xué)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用上提供了真是直觀地實(shí)驗(yàn)依據(jù)，如圖20所示為近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡照片。由于有機(jī)薄膜不但厚度很小還必須均勻、連續(xù)的覆蓋襯底表面，以往在薄膜硅電池上的光學(xué)設(shè)計(jì)顯然不在適用。通過引入合適的光柵結(jié)構(gòu)，%，%， %。然而至今為止，光學(xué)微納結(jié)構(gòu)的制備不但成本高昂而且耗時(shí)很長。而在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，人們希望能夠得到自由且實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的器件以實(shí)現(xiàn)更多功能。 Sons, Inc., 1999[2] E. Yablonovitch, Inhibited spontaneous emission in solidstate physics and electronics [J]. Phys. Rev. Lett. 1987, 58:2059 [3] S. John, Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices [J]. Phys. Rev. Lett. 1987, 58: 2059[4] T. W. Ebbesen, H. J. Lezec, Extraordinary optical transmission through subwavelength hole arrays [J]. Nature, 1998, 391:667[5] J. D. Joannopoulos, R. D. Maede and J. N. Winn, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light [M]. NJ: Princeton Univ. Press,1995[6] S. Noda, M. Fujita, T. Asano, Spontaneousemission control by photonic crystals and nanocavities [J]. Nature Photonics, 2007, 1:449[7] S. Ogawa, M. Imada, , M. Okano, , Control of light emission by 3D photonic crystals [J]. Science, 2004, 305:227[8] J. S. Foresi, P. R. Villeneuve, J. Ferrera, et al. Photonic bandgap microcavities in optical waveguides [J]. Nature, 1997,390: 143[9] Y. Akahane, T. Asano, B. S. Song, S. Noda, HighQ photonic nanocavity in a twodimensional photonic crystal [J]. Nature, 2003,425:944[10] S. A. Rinne, F. GarciaSantamaria, P. V. Braun, Embedded cavities and waveguides in th