Ab-initio Mapping of Projected Local Density of States in Arbitrary Nanostructures: Application to Photonic Crystal Slabs and Cavities
基于光子的投影局域态密度（PLDOS），我们发展了一个局域耦合理论，可以同时处理任意纳米结构中量子发射体与光子之间的弱相互作用和强相互作用。PLDOS的映射方法非常灵活有效。我们的从头算PLDOS很好地解释了最近对光子晶体平板的实验观察。更重要的是，首次建立了连接PLDOS和腔量子电动力学的桥梁，解决了品质因数、g因子和真空拉比分裂等问题。我们的工作极大地丰富了有关纳米结构中光与物质相互作用的知识。
2012-10-28 physics.optics
Dinosaur Photonic Crystal Cavity Interfaces for Color Center Coupling to Triangular Nanostructures
Humboldt-Universität zu Berlin（柏林洪堡大学）；Ferdinand-Braun-Institut gGmbH, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik（费迪南德·布劳恩研究所，莱布尼茨高频技术研究所）
本研究提出波纹状三角形Dinosaur光子晶体腔作为孔洞型光子晶体腔的替代方案，开发准无损耗锥形腔-波导界面实现Bloch模与波导模绝热转换，优化后可降低损耗并精确调控光与物质相互作用，适用于量子信息中色心与飞行光子量子比特耦合。
2025-10-30 physics.optics quant-ph
Manifold Learning for Knowledge Discovery and Intelligent Inverse Design of Photonic Nanostructures: Breaking the Geometric Complexity
School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology（电子与计算机工程学院，佐治亚理工学院）
本文提出基于流形学习的光子纳米结构知识发现与智能反向设计方法，通过研究不同设计复杂度的纳米结构响应子流形，在潜在空间中获取设备操作物理机制的洞察，指导更智能的设计。
2021-02-07 cs.LG physics.optics
Second Quantization of Scattering Modes of Absorptive Photonic Nanostructures
我们提出了一个量子化方案的吸收损耗的光学系统，扩展的基础上在完整的散射麦克斯韦方程组的解决方案。自然出现的吸收损失和波动，而不引入热浴证明。我们的模型预测机制的吸收诱导压缩和色散介导的光子转换。
2018-11-16 physics.optics quant-ph
Transparent photonic band in metallodielectric nanostructures
在一定条件下，可以将透明光子带设计成一维金属-电介质纳米薄膜结构。与光子晶体中的常规通带不同，其中结构的有限厚度影响具有通带内频率的电磁场的透射，透明带的性质几乎不受结构的有限厚度的影响。换句话说，在透明带内的频率处的入射场表现出100%的透射，而与结构的周期数无关。透明光子带对应于在具有镜像对称性的结构中的整个布洛赫带中的纯本征态模式的激发。讨论了产生这些模式的条件，从而导致一个完全透明的带现象。
2005-07-20 physics.optics
Physics-informed neural networks for inverse problems in nano-optics and metamaterials
在本文中，我们采用新兴的范例物理通知神经网络（PINNs）的解决方案的代表性逆散射问题的光子超材料和纳米光学技术。特别是，我们成功地应用无网格PINNs检索的有效介电常数参数的一些有限尺寸的散射系统，涉及许多相互作用的纳米结构以及多组分纳米粒子的艰巨任务。我们的方法是充分验证基于有限元法（FEM）的数值模拟。基于物理学的逆散射深度学习技术的发展可以设计新型功能纳米结构，并通过自然地考虑辐射和有限尺寸效应，超越传统有效介质理论的限制，显着拓宽超材料的设计空间。
2020-03-17 physics.comp-ph physics.optics
Interfacing single photons and single quantum dots with photonic nanostructures
光子纳米结构提供了剪裁光与物质之间相互作用的手段，并且在过去的十年中见证了这一主题的巨大实验和理论进展。特别是，与半导体量子点的结合已被证明是成功的。本文综述了光子纳米结构中单量子点中激子的量子光学。在集成光子纳米结构中设计光-物质相互作用强度的能力使得能够进行一系列基本量子电动力学实验，例如，自发发射控制、修改的兰姆位移和增强的偶极-偶极相互作用。此外，高效的单光子源和巨光子非线性可以实现与光子量子信息处理的直接应用。综述总结了光子发射的一般理论框架，包括退相过程的作用，并将其应用到当前感兴趣的光子纳米结构，如光子晶体腔和波导，介电纳米线和等离子体波导。所介绍的概念通常适用于量子纳米光子学，并且在很大程度上也适用于其他量子发射体，例如分子、氮空位中心或原子。最后，讨论了量子信息处理的研究进展和应用前景。
2014-10-16 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph physics.optics
Accurate Transfer of Individual Nanoparticles onto Single Photonic Nanostructures
将金属纳米颗粒（NPs）受控地集成到光子纳米结构上使得能够实现用于极端光限制和增强的光-物质相互作用的复杂装置。这可以通过将镜上纳米粒子（NPoM）纳米腔与微米级金属天线和/或光子集成波导的光操纵能力相结合来实现。然而，金属纳米颗粒通常通过滴铸沉积，这妨碍了它们的准确定位。在这里，我们提出了一种方法，用于精确转移和定位到不同的光子纳米结构的个别纳米粒子。该方法是基于软光刻印刷，采用弹性体印章辅助转移到一个单一的纳米结构的个别纳米粒子。它还可以在单个步骤中以高通量和准确性并行压印许多单个NP。拉曼光谱证实了增强的光-物质相互作用，在所得的NPoM为基础的设备。我们的方法混合了自上而下和自下而上的纳米纤维技术，并显示了构建复杂的光子纳米器件的潜力，其应用范围从增强的传感和光谱到信号处理。
2022-08-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Nanophotonic hybridization of narrow atomic cesium resonances and photonic stop gaps of opaline nanostructures
我们研究了一个由窄带原子光学共振和长周期有序的蛋白石光子纳米结构组成的混合系统。为此，我们已经渗透原子铯蒸气在薄二氧化硅蛋白石光子晶体。随着温度的升高，由于二氧化硅的化学还原，蛋白石的反射率峰的频率下移>20%。同时，相对于固定的近红外铯D1跃迁，光子带隙发生了位移。结果，具有高精细度（f/df= 8 E5）的窄原子共振显著地改变形状，从通常的色散形状在停止间隙的蓝色边缘，到反转的色散线形在停止间隙的红色边缘。的线型，振幅，和非共振反射率是很好地模拟与传输矩阵模型，其中包括Cs超精细跃迁和化学还原蛋白石的色散和吸收。光子晶体中的原子系综是一种有趣的混合系统，具有窄的缺陷状共振和强色散，在慢光、传感和光存储方面具有潜在的应用。
2014-09-11 physics.optics
Transverse Anderson localization of light near Dirac points of photonic nanostructures
我们对无序层状光子纳米结构中光束的安德森局域化进行了比较研究，在周期性层分布的限制下，在波矢谱中具有狄拉克点或布拉格带隙。特别是，我们表明，当布拉格间隙的宽度减小时，安德森模式的本地化长度增加，使得在极小的带隙限制中，即当形成狄拉克点时，即使是极高水平的紊乱也无法本地化位于狄拉克点附近的光学模式。本文还比较分析了在布拉格带隙或狄拉克点附近形成的安德森模的传播特性。我们的研究结果可以提供有价值的指导方针，在评估结构紊乱的功能广泛的阵列的光学纳米器件的影响。
2015-09-30 physics.optics
Nanoscale positioning approaches for integrating single epitaxial quantum emitters with photonic nanostructures
确定性地集成单个固态量子发射器与光子纳米结构作为光子量子技术背景下的关键使能资源。由于许多广泛使用的固态量子发射体的随机空间位置，在过去十年中已经探索了许多用于在纳米纤维化之前定位量子发射体的定位方法。在这里，我们回顾了几种纳米定位方法的工作原理和在这一领域的最新进展，包括原子力显微镜，扫描电子显微镜，共聚焦显微镜与\textit{in situ}光刻，和宽场荧光成像技术。介绍了一系列具有代表性的高性能器件演示，包括高质量的单光子源、明亮的纠缠光子对、强耦合腔QED系统和其他新兴应用。讨论了将定位技术应用于不同材料系统的挑战以及使用这些方法实现大规模量子光子器件的机会。
2021-05-13 physics.optics quant-ph
Photonic switching devices based on semiconductor nanostructures
将光聚焦和引导到半导体纳米结构中可以为光子器件提供革命性的概念，这为下一代节能光网络提供了一条实用的途径。在这篇综述中，我们考虑了基于半导体量子点（QD）和光子腔的光子开关的前景，这些量子点和光子腔具有基于它们的低维的独特性质。通过引入场增强因子的概念，对这种光开关的非线性光学特性进行了理论分析。这种方法在功率密度和速度上都有了巨大的改进，能够克服传统光子交换机几十年来的局限性。此外，由于量子点的类原子性质以及光子腔的纳米级足迹，整体功耗降低。基于这一理论观点，目前国家的最先进的量子点/腔开关已被用来证明光子开关的各种光学非线性现象。新兴的技术，使腔的非线性效应，如波长调谐，珀塞尔因子调谐和等离子体效应进行了讨论。
2014-02-26 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Probing topological edge states in multilayer dielectric photonic nanostructures
Research School of Physics, Australian National University（澳大利亚国立大学物理研究学院）；Institute of Photonics and Quantum Sciences, Heriot-Watt University（赫瑞-瓦特大学光子与量子科学研究所）
该研究针对多层介质光子纳米结构，基于Su-Schrieffer-Heeger模型设计不同边缘截断，实验证实拓扑边缘态的存在，并展示其在表面传感与表面增强非线性光学中的应用潜力。
2026-10-14 physics.optics
Photonic thermal diode enabled by surface polariton coupling in nanostructures
利用纳米结构中耦合表面极化激元模的温度依赖性，提出了一种工作在近场的新型光子热二极管概念。二极管概念利用由在红外中支持表面极化激元模式的相同材料制成的端子，但是具有不同的结构。在这封信中分析的具体二极管设计涉及一个薄膜和一个块，都由3C碳化硅制成，由亚波长真空间隙分开。高整流效率是通过调谐的薄膜的反对称的谐振模式，从表面声子极化激元耦合，上和下谐振与作为温度偏置方向的函数的体的谐振模式。整流效率的研究通过改变结构参数，即真空间隙的大小，其上的膜被涂覆的基板的介电函数，和膜厚度间隙的大小比。基于波动电动力学的计算表明，在80%至87%的范围内的高整流效率可以保持在一个宽的温度带（~ 700 K至1000 K）。所提出的二极管概念的整流效率可以通过研究更复杂的纳米结构如光栅和多层介质来进一步提高。
2017-03-29 physics.optics
A flexible framework for large-scale FDTD simulations: open-source inverse design for 3D nanostructures
本文介绍了一个基于 JAX 和 FDTD 方法的开源 Python 软件包，通过反向模式自动微分实现三维光子纳米结构的梯度优化，支持多 GPU 扩展，显著降低计算资源需求，加速光子逆向设计创新。
2024-12-19 physics.comp-ph physics.optics
Temperature Tunable Optical Transmission control of VO2 nanostructures by IR based 1-D Photonic crystals as hybrid Photonic absorbers
根据J. Phys. D：Appl. Phys. 51 375102（2018）的早期理论预测，通过在近红外（IR）光谱中在SiO2/TiO 2分布式布拉格反射器（DBR）上沉积VO 2纳米颗粒的薄膜，研究了1-D光子晶体对VO 2光透射的影响。采用简单的溶液法合成了结晶度可调的单斜相VO 2纳米粒子。通过改变其合成温度和生长后退火条件，获得了中等结晶度（MC）和高度结晶度（HC）的VO 2纳米结构。MC VO 2和HC VO 2薄膜在红外区的光学透射率都表现出预期的降低，这是由于其结构相变在临界温度附近从单斜（绝缘体）到金红石（金属）。通过在40%透射DBR结构上组合VO 2膜，平均光学透射率进一步下降到~ 20%。DBR的叠层数量在有效降低红外透射率方面起着关键作用。当DBR的叠层数量从4增加到7时，在这种基于二氧化钒/一维光子晶体的复合光子结构中，DBR上的金属VO 2膜的近红外透射率几乎为零。这种温度控制的、增强的宽带光学响应可以是用于各种智能窗应用的基于VO 2纳米颗粒的混合光子吸收器的有前途的设计。
2019-10-25 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Fabrication of photonic nanostructures from hexagonal boron nitride
对基于层状范德华（vdW）材料的器件的兴趣日益增长，推动了新的纳米制造方法的发展。六方氮化硼（hBN）是量子光子学和极化激元学研究中最有前途的材料之一。在这里，我们详细报告了一个有前途的nanofabelets过程中使用的混合电子束诱导蚀刻（EBIE）和反应离子蚀刻（RIE）技术制造几个hBN光子器件。我们强调RIE和EBIE的缺点和优点，并展示了实用的混合方法的悬浮和支持的器件结构与纳米级的功能和高度垂直的侧壁的制造。高品质的腔光学模式（Q~1500）的测量证明了所制造的设备的功能。我们的纳米纤维方法构成了基于hBN和其他分层vdW材料的集成单片量子光子学平台的进步。
2018-09-20 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Self-Assembly of Lipid-Biopolymer Periodic Nanostructures on Photonic Length Scales
Adolphe Merkle Institute, Fribourg, Switzerland（阿道夫·梅尔克研究所）；Department of Chemistry, University of Fribourg, Fribourg, Switzerland（弗里堡大学化学系）
通过脂质液晶中间相与生物聚合物共组装，实现了周期从700纳米到1.2微米的一维至三维有序纳米结构，克服了纯脂质系统周期性的限制，为再现生物光子结构色的物理化学机制提供了方法。
2026-05-27 cond-mat.soft physics.optics
Solid-state quantum optics with quantum dots in photonic nanostructures
量子纳米光子学已经成为一个新的研究前沿，量子光学与纳米光子学相结合，以增强和控制强约束光与量子发射器之间的相互作用。这种进展为在全固态平台上进行量子信息处理提供了一条有前途的途径。本文综述了纳米光子结构中单量子点实验的最新进展。在光子带隙结构中嵌入量子点提供了一种控制单光子的自发发射到由局部光-物质耦合强度确定的程度的方法。在光子晶体中引入缺陷意味着新的功能。例如，可以构建有效和强约束的腔，从而实现腔量子电动力学实验。此外，可以在光子晶体波导中调整光速，光子晶体波导形成高效单光子源的基础，其中光子被引导到波导的缓慢传播模式中。最后，我们将讨论量子光学实验的固态实现与原子实现相比所带来的一些惊喜。特别是，它将被证明，著名的点偶极子描述的光-物质相互作用可以打破时，量子点耦合到等离子体纳米结构。
2012-11-30 cond-mat.mes-hall physics.optics
Kerr and free-carrier ultrafast all-optical switching of GaAs/AlAs nanostructures near the three-photon edge of GaAs
我们对GaAs/AlAs光子晶体结构进行了非简并泵浦-探测实验。我们利用光学克尔效应和三光子吸收激发的自由载流子来切换光子特性。从这些测量中，我们提取的非简并克尔系数在一个很宽的波长范围内，我们提取的三个光子吸收系数的GaAs在三个波长在近红外。我们发现，光克尔效应是足够大的切换腔谐振与高\emph{Q}（$Q>1000$）光子腔。
2008-06-19 physics.optics
Metallic nanostructures as electronic billiards for nonlinear terahertz photonics
金属纳米颗粒的光学性质通常被认为是等离子体激元，光和准自由电子的耦合状态。在这里，我们预测，纳米结构内部的电子限制导致另一种非常不同的共振类型，这决定了在明显低于等离子体共振的频率范围内的光学性质。我们表明，紧密放置的约束诱导共振通常加入到一个单一的复合“超共振”，在低频产生巨大的非线性。我们的模拟表明，这种非线性可以用于有效的下转换的光泵太赫兹和中红外频率的亚微米器件的基础上的纳米颗粒复合材料。我们讨论了这些量子限制引起的共振与传统的等离子体激元的相互作用，以及不寻常的量子能级统计，在这里适应的范例的电子台球理论。
2023-03-27 cond-mat.mes-hall physics.optics
Nonradiating Photonics with Resonant Dielectric Nanostructures
传统上，非辐射能量源在量子力学和天体物理学中被研究，而在光子学社区中很少受到关注。这种情况已经改变了最近由于一些开创性的理论研究和显着的实验演示的光的奇异状态在介电共振光子结构和超颖表面，有可能有效地本地化的小体积的物质内的高强度的电磁场。这些最新进展支持了纳米光子学的新概念，并提供了一种有前途的途径来克服通常与金属和等离子体材料相关的损失问题，以有效控制纳米尺度下的光-物质相互作用。这篇综述论文提供了一般背景和几个快照的最新成果，在这个年轻而突出的研究领域，专注于两种类型的非辐射状态的光，都已经在最近的中心，许多研究在全介电共振元光学和元表面：光学{ \em anapoles}和光子{ \em束缚态的连续}。我们讨论了这些国家在光学的简史，其基本的物理和表现形式，并强调他们的差异和相似之处。我们还回顾了这种新的光子态在线性和非线性光学中的一些应用，如纳米场增强，具有高$Q$共振的新型介电结构的设计，非线性波混频和增强谐波产生，以及激光和光学神经网络的先进概念。
2019-03-12 physics.optics
Generalizing the exact multipole expansion: Density of multipole modes in complex photonic nanostructures
纳米光子结构的电磁响应的多极展开是解释纳米光学中的光学效应的通用工具，但它只能访问由特定照明激发的模式。特别是各种照明的研究需要多个，昂贵的数值模拟。在这里，我们提出了一种形式主义，我们称之为“广义极化率”，其中我们结合了最近开发的精确多极分解[Alaee等人，选择通信407，17-21（2018）]与广义场传播子的概念。经过初始计算步骤，我们的方法允许即时获得任何照明的精确多极分解。最重要的是，由于所有可能的照明都包括在广义极化率，我们的形式主义允许计算多极模式的总密度，而不管特定的照明，这是不可能与传统的多极展开。最后，我们的方法直接提供了最佳的照明场分布，最大限度地耦合到特定的多极模式。形式主义将是非常有用的各种应用在纳米光学像照明场工程，或元原子设计，例如惠更斯超颖表面。我们提供了一个与pyGDM python包兼容的数字开源实现。
2022-06-30 cond-mat.mes-hall physics.comp-ph physics.optics
Enhanced light absorption in all-polymer biomimetic photonic structures by near-zero-index organic matter
天然光合光子纳米结构可以显示复杂的光物质相互作用，包括增强的光吸收慢光，即使是高度色素系统。除了基本的生物学方面，这些天然纳米结构作为先进光子器件的蓝图非常有吸引力。但由于大多数有机光子结构的折射率对比度较低，这种纳米结构的软物质仿生实现具有挑战性。具有近零折射率（NZI）光学性质的激子有机材料允许克服这些瓶颈。在这里，我们证明了NZI薄膜的组合成光子多层膜，如在自然界中发现的，使宽带可调谐的强反射率以及慢光吸收增强和定制的光致发光特性在整个可见光谱。此外，它表明，这种复杂的光学响应是可调的，铺平了道路的基础上的所有聚合物和近零折射率材料的光子结构的有源器件的发展。
2021-11-30 cond-mat.mes-hall physics.optics
Passive radiative "thermostat" enabled by phase-change photonic nanostructures
恒温器感测物理系统的温度，并打开或关闭加热或冷却设备，调节热流以将系统的温度保持在期望的设定点附近。利用辐射传热技术的最新进展，在这里，我们提出了一个被动辐射“恒温器”的基础上相变光子纳米结构在室温下的热调节。通过根据环境温度自调整其可见光到中红外吸收率和发射率响应，所提出的设备在白天使用相变转变温度作为设定点使用天空被动地冷却或加热，而在夜间温度保持在环境温度或低于环境温度。我们模拟的性能的被动纳米光子恒温器设计的基础上二氧化钒薄膜，显示白天被动冷却（加热）相对于周围的热（冷）天，保持平衡温度大约锁定在相变区域内。被动辐射恒温器有可能使新的热管理技术成为可能，例如，在年温差极端波动的地区调节昼夜温度。
2019-02-04 physics.app-ph physics.optics
Broadband sensitive pump-probe setup for ultrafast optical switching of photonic nanostructures and semiconductors
我们描述了一个超快时间分辨泵浦探测光谱设置，旨在研究纳米光子结构的开关。飞秒泵浦和探测脉冲都可以在3850和21050 cm $^{-1}$之间的宽频率范围内独立调谐。宽的泵浦扫描范围允许大的光学穿透深度，而宽的探测扫描范围对于强光子晶体的研究至关重要。一种新的数据采集方法允许灵敏的泵浦-探测测量，并校正探测强度和泵浦杂散光的波动。与激光波动相比，我们观察到设置的精度提高了十倍，允许在1 s的测量时间内测量精度优于$Δ$ R= 0.07%。演示的改进技术的体硅晶片，3D硅反蛋白石光子带隙晶体，和Z-扫描测量的双光子吸收系数的Si，GaAs，和三光子吸收系数的GaP在红外波长范围内。
2009-03-01 physics.ins-det physics.optics
Machine Learning-Based Optimization of Chiral Photonic Nanostructures: Evolution- and Neural Network-Based Design
手征光子学开辟了新的途径来操纵光-物质相互作用，并通过纳米结构化非平凡图案来定制超表面和材料的光学响应。物质的手征性（如分子的手征性）和光的手征性（在最简单的情况下由圆偏振的手征性给出）在化学、纳米光子学和光学信息处理中的应用引起了广泛的关注。我们报告的手性光子结构的设计，使用两种机器学习方法，进化算法和神经网络的方法，快速，有效地优化介电超颖表面的光学特性。在过渡金属二硫属化物激子共振范围内获得的可见光的设计配方显示出反射光的圆偏振度的频率依赖性修改，其由左圆偏振强度和右圆偏振强度之间的差表示。我们的研究结果表明，采用二硫化钨作为可能的活性材料，如谷霍尔效应和光学谷相干性的功能，手性敏感的光-物质耦合方案的光学纳米图案化反射器的简便制造和表征。
2021-11-11 physics.app-ph physics.optics stat.ML
Sublime Transfer Printing of Three-Dimensional Nanostructure Ensembles
Singapore University of Technology and Design（新加坡科技设计大学）；The Smart Grippers for Soft Robotics (SGSR) Programme, Campus for Research Excellence and Technological Enterprise (CREATE)（软体机器人智能夹爪计划，卓越研究与技术企业校园）；College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University（湖南大学机械与车辆工程学院）；School of Instrumentation and Optoelectronic Engineering, Beihang University（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院）；Hangzhou International Innovation Institute, Beihang University（北京航空航天大学杭州国际创新研究院）；School of Mechanical Engineering, Hunan University of Science and Technology（湖南科技大学机械工程学院）
该研究提出一种升华转印策略，利用萘作为临时印章，实现三维纳米结构集合体在多种衬底上的无损伤集成，可制备多种无机光子器件与结构。
2026-08-18 physics.optics
Nanostructured Multilayer Coatings for Spatial Filtering
空间滤波是提高激光光束空间质量的重要机制。通常，在焦平面中具有光阑的透镜的共焦布置用于腔内空间滤波。这种常规滤波需要访问远场域。然而，在微激光器中，由于微谐振器中缺乏进入远场的空间，传统的滤波是不可能的。因此，一个新的概念，更紧凑和有效的空间滤波是必要的。在这项研究中，我们提出并证明了一个概念新颖的机制，在近场域的空间滤波，由纳米结构的多层涂层-一个二维光子晶体结构与周期性的折射率调制沿纵向和横向的光束传播。该结构建立在纳米调制衬底上，以提供横向周期性。物理气相沉积用于在纵向方向上提供自重复调制。我们实验证明了一个5微米厚的光子多层结构，由交替的高折射率和低折射率材料的纳米结构的多层组成，提供空间滤波在近红外频率与2°低角度通带。该光子晶体结构可作为微激光器内腔空间滤波的理想器件。
2020-11-19 physics.optics
Atom-light interactions in quasi-1D nanostructures: a Green's function perspective
基于经典电磁格林函数描述原子-光相互作用的形式主义，我们研究了原子和其他量子发射体耦合到一维光子结构，如腔，波导和光子晶体的光学响应。我们展示了一个清晰的映射之间的透射光谱和本地格林函数，允许识别原子之间的色散和耗散相互作用的签名。我们还证明了我们的分析的适用性，涉及三能级原子的问题，如电磁感应透明。最后，我们研究了最近的实验，并预测未来的观察原子-原子相互作用的光子带隙。
2017-03-07 physics.optics quant-ph
Photonic Crystal Optical Tweezers
粒子的非侵入性光学操纵已经成为生物学研究和纳米技术的一种强大而通用的工具。特别地，细胞、细胞核和亚微米颗粒的捕获和旋转使得能够实现用于各种应用的独特功能，例如组织工程、癌症研究和纳米纤维。我们提出并证明了一种纯光学的方法来旋转和排列粒子使用偏振光与光子晶体纳米结构的相互作用，以产生增强的捕获力。用弱聚焦的激光束，我们观察到有效的捕获和运输的聚苯乙烯珠的大小范围从10微米到190纳米以及癌细胞核。此外，我们证明了使用1-D光子晶体结构的非球形粒子的排列。在低至17 uW/um ^2的光强度下捕获、旋转并排列细菌细胞。利用时域有限差分法（FDTD）模拟了光子晶体纳米结构上方的近场和远场，揭示了观测结果的来源。这种方法可以扩展到使用2-D光子晶体纳米结构进行完全旋转控制。
2009-12-26 physics.ins-det physics.optics
PRISM: Photonics-Informed Inverse Lithography for Manufacturable Inverse-Designed Photonic Integrated Circuits
Arizona State University（亚利桑那州立大学）；NVIDIA Corp.（英伟达公司）；Rensselaer Polytechnic Institute（伦斯勒理工学院）
针对逆设计光子集成电路可制造性差的问题，提出PRISM方法，通过物理感知的逆光刻流程，结合紧凑校准图案、可微分制造模型和光子学感知掩模优化，显著提升后制造性能和良率。
2026-06-01 cs.ET physics.optics
Physics-Informed Neural Networks in Electromagnetic and Nanophotonic Design
本文综述了物理信息神经网络（PINNs）等AI方法在电磁与纳米光子设计中的应用进展，涵盖前向/逆向设计、仿真加速与多目标优化，并指出可解释性、数据稀缺等挑战及未来方向。
2025-05-06 physics.comp-ph physics.optics
Physics-Informed Graph Neural Network for Inverse Design of Integrated Photonic Biosensors
McMaster University（麦克马斯特大学）；McGill University（麦吉尔大学）
本文提出了一种具有物理信息的图神经网络，用于高效设计1550nm波段的微环谐振器生物传感器，通过结合结构连接性和电磁原理，实现高精度的逆向设计。
2026-02-22 physics.optics
Optically Induced Thermal Runaway in Phase-Change VO2 Nanostructures
Brno University of Technology（布尔诺理工大学）
本研究针对亚波长相变光子学中热失控未被探索的问题，通过耦合全波电动力学与热传递的迭代多物理场框架，发现VO₂纳米结构存在光诱导热失控，其阈值受多因素影响，为相关器件设计提供了关键原则。
2026-08-28 cond-mat.mes-hall physics.optics
Prediction of Self-Assembled Dewetted Nanostructures for Photonics Applications via a Continuum Mechanics Framework
当液体膜位于非粘性基底上时，该构型是不稳定的，并且该膜然后从固体基底缩回以形成液滴。这种现象称为去湿，通常导致不希望的形态变化。然而，最近的工作已经证明了通过采用具有与用于高性能纳米光子应用的先进光刻工艺相当的精度的模板化衬底来利用去湿的可能性。由于共振行为对几何变化高度敏感，因此定量预测去湿动力学具有很大的意义。在这项工作中，我们开发了一个连续模型，预测的演变薄膜上的图案化基板，从最初的回流孔的成核和生长。我们提供了一个操作框架的基础上宏观测量模型的分子间相互作用的起源的去湿过程中，涉及的长度尺度，从亚纳米到微米的范围。实验和模拟结果的比较表明，该模型可以准确地预测最终的分布，从而提供了新的预测工具，以定制去湿纳米结构的光学响应。
2021-05-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.flu-dyn
Field renormalization in Photonic Crystal waveguides
为了将非线性的变化包含在非线性薛定谔方程中，提出了一种新的策略。这种依赖于重正化的技术特别适合于纳米结构光学系统，其中非线性表现出比散装材料大两个数量级的大变化。我们表明，它考虑到在一个简单而有效的方式，在纳米结构中的非线性，这是由几何参数，如有效模面积和组指数的特异性。非线性薛定谔方程的重正化为物理学研究提供了契机，揭示了光子晶体波导在研究新的非线性传播现象方面的潜力。
2015-06-08 nlin.PS physics.optics
Droplet Epitaxy of Semiconductor Nanostructures for Quantum Photonic Devices
长久以来梦寐以求的量子互联网将由一个量子节点（固态或原子系统）网络组成，这些节点由飞行的量子比特连接在一起，自然地基于光子，以光速长距离传播，退相干可以忽略不计。一个关键的组件是光源，能够提供单个或纠缠光子对。在不同的平台中，半导体量子点非常有吸引力，因为它们可以与其他光子和电子元件集成在小型化芯片中。在20世纪90年代早期，开发了两种方法来合成自组装外延半导体量子点（QD）或人工原子，即Stranski-Krastanov（SK）和液滴外延（DE）方法。由于其鲁棒性和简单性，SK方法成为在基础和技术领域实现多项突破的主力。然而，对特定发射波长或结构和光学性质的需求促使进一步研究DE方法及其最近的发展，局部液滴蚀刻（LDE），作为获得高质量半导体纳米结构的补充途径。最近关于产生高度纠缠光子对的报道，结合良好的光子不可逆性，表明DE和LDE QD可以补充（有时甚至优于）常规SK InGaAs QD作为量子发射体。我们在这里提出了一个关键的调查的DE和LDE的最先进的状态，突出的优点和缺点，所取得的成就和仍然开放的挑战，在量子通信和技术的应用。
2021-03-28 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Plasmonic and photonic enhancement of chiral near fields
具有高度扭曲电磁场的手性近场建立了一座桥梁，以匹配手性分子和具有大尺寸差异的光波长。它能显著增强手性分子的圆二色性，在手性传感、检测、捕获等手性相关领域具有广阔的应用前景。表面等离子体具有突出的光捕获和电磁场集中能力。等离子体手性纳米结构促进光操纵以产生超手性近场。同时，纳米光子结构由于其独特的电磁共振特性，在获得强手征场方面引起了人们极大的兴趣。在光与手性物质相互作用过程中，手性近场不仅是光与手性分子相互作用的桥梁，而且也是手性分子光学活动的重要因素。本文综述了利用等离子体和光子纳米结构增强手性近场效应的最新研究进展。本文综述了手征电磁场的基本原理以及等离子体纳米结构和光子纳米结构在近场增强方面的研究进展。研究了增强手征近场的性质及其在手性分子探测、自旋轨道角相互作用和产生手征光学力等方面的应用。最后，我们讨论了当前的挑战，并提供了一个简要的展望这一领域。
2022-03-22 cond-mat.mes-hall physics.optics
Non-utopian optical properties computed of a tomographically reconstructed real photonic nanostructure
针对理想化模型无法完整解释真实光子纳米结构实验结果的问题，提出以断层扫描重建的真实结构为输入，用DGFEM计算光学特性，纠正了理想化模型对内部场和LDOS的错误认知。
2024-08-29 physics.optics
Giant optical nonlinearity in single silicon nanostructure: ultrasmall all-optical switch and super-resolution imaging
近年来，硅光子学由于其在集成光子元件（1，2）以及全介电元光学元件中的潜力而引起了极大的兴趣。(3)强的光子-光子相互作用，又称光学非线性，实现了对上述光子器件的主动控制。（4，5）然而，Si的固有非线性太弱，无法设想实际应用。为了提高非线性响应，已经采用了长的相互作用长度结构，例如波导，或者谐振结构，例如微谐振器或光子晶体。（6，7）然而，它们的特征尺寸通常大于10 $μ$ m，比它们的电子对应物大得多。在这里，我们发现，当减少硅谐振腔的尺寸下降到~100 nm，一个巨大的光热非线性，产生400%的可逆和可重复的偏离线性散射响应在低激发强度（mW/ $μ$ m $^2$）。纳米尺度下的等效非线性折射率n $_2$比体相的大五个数量级，这是由于热隔离纳米结构中的Mie共振增强吸收和高效加热。此外，纳米尺度的热弛豫时间达到纳秒，意味着GHz的调制速度。这种大而快的非线性使其应用于纳米级的全光控制以及硅的超分辨率成像。
2020-01-23 physics.app-ph physics.optics
Magneto-Plasmonics and Resonant Interaction of Light with Dynamic Magnetisation in Metallic and All-Dielectric Nanostructures (Review)
在纳米尺度上结合等离子体和磁性的重大兴趣在与纳米结构中光-磁-物质相互作用的共振增强有关的光子学和磁性部门中获得了动力。这些努力产生了大量的文献，难以在有限的时间内收集和消化。此外，两个研究部门之间的成果交流不足。因此，这篇综述论文的目标是弥合这一差距，从两个不同的角度：磁等离子体，磁振子和磁化动力学磁等离子体领域的最新进展的概述。预计这种演示风格将使这篇评论论文引起普通物理观众和研究光子学、等离子体学、磁性纳米结构的布里渊光散射光谱和磁光克尔效应磁力学的专家的特别兴趣，以及自旋波的超快全光和太赫兹波激发。此外，读者感兴趣的一个新的，迅速崛起的领域，全电介质纳米光子学将找到一个部分关于全磁介电纳米结构。
2015-02-20 cond-mat.mes-hall physics.optics
Lifetimes and quantum efficiencies of quantum dots deterministically positioned in photonic-crystal waveguides
将单个发射器与光子纳米结构连接使得能够修改它们的发射特性，例如增强单独的衰减速率或控制发射方向。为了实现完全控制，单个发射器必须确定性地定位在纳米结构中。在这里，我们使用光谱学来获得有关各个量子点的光谱和空间信息，以便将每个发射器定位在光子晶体波导的单元格中的预定位置。根据结构化纳米光子模式内的空间和光谱定位，我们观察到量子点发射可以被抑制或增强。这些结果证明了光子晶体波导控制单光子发射的能力，并且定位量子点的能力对于创建复杂的多发射器量子光子电路将是至关重要的。
2019-09-19 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Parallel overlapping-domain decomposition FDFD for large-scale complex nanostructures modeling
针对大规模复杂纳米结构电磁建模，提出基于FDFD的并行重叠域分解方法，通过PML子域划分与多波前预条件加速，实现与COMSOL一致精度且计算时间降低一个数量级。
2025-09-25 physics.optics
Nanostructuring Optical Waveguides by Focused Ion Beam Milling. Near-Field Characterization
由于纳米结构的广泛应用，特别是在光子晶体中观察到的光子带隙效应，纳米结构已经成为一个引人注目的课题。然而，由于对结构的规则性、形状、孔深度等的精确要求，这种结构的制造仍然是一个挑战。电子束光刻允许对尺寸参数进行良好控制，但需要1步制造工艺。在我们的工作中，我们必须结合传统的带状负载波导（Si上的SiO2/SiON/SiO2）和尺寸完全不同的纳米结构。这强加了两步工艺，其中波导和纳米结构被连续地制造。我们有不同的方法来表征这些纳米结构。FIB处理期间和之后的直接方面控制可以通过FIB和SEM成像来实现。扫描近场光学显微镜（SNOM）是目前最有效的方法来测试在这样的表面结构中的引导约束通过检测倏逝场。
2008-01-26 physics.optics
Controlled dewetting and phase transition hysteresis of VO2 nanostructures
Brno University of Technology（布尔诺理工大学）
研究通过光刻图案化、可控结晶和脱湿技术实现VO2纳米结构相变控制，展现其在高效光子器件中的应用潜力。
2026-04-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
A subsurface array of photonic crystal slabs produces green stripes in a scarab beetle
University of Melbourne（墨尔本大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）
研究揭示提琴蜣螂绿色条纹的光子晶体平板复合分层结构，通过光学建模解析其虹彩与漫射绿色的形成机制，拓展生物光子纳米结构多样性并为仿生设计提供新灵感。
2026-08-20 physics.optics
NIDN: Neural Inverse Design of Nanostructures
在最近十年中，计算工具已成为材料设计的核心，允许以更低的成本快速开发周期。机器学习工具在光子学领域尤其兴起。然而，从优化的角度来看，设计所需的麦克斯韦方程组的反演特别具有挑战性，需要复杂的软件。我们提出了一种创新的开源软件工具，称为纳米结构的神经逆向设计（NIDN），允许使用基于物理的深度学习方法设计复杂的堆叠材料纳米结构。我们执行基于梯度的神经网络训练，而不是无衍生物或数据驱动的优化或学习方法，我们根据其光谱特性直接优化材料及其结构。NIDN支持两种不同的求解器，严格耦合波分析和时域有限差分法。NIDN的实用性和有效性证明了几个合成的例子，以及1550 nm的过滤器和抗反射涂层的设计。结果与实验基线、其他模拟工具和所需的光谱特性相匹配。鉴于其在网络架构和Maxwell求解器方面的完全模块化以及开源，许可的可用性，NIDN将能够在广泛的应用中支持计算材料设计过程。
2022-08-18 physics.comp-ph physics.optics
Spectroscopic Observation and Modeling of Photonic Modes in CeO2 Nanocubes
本研究利用STEM-EELS观测并模拟二氧化铈纳米立方体中的光子模式，结合COMSOL有限元计算与解析模型揭示其激发、传输及能量特性。
2022-10-10 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Photonic Neural Networks and Optics-informed Deep Learning Fundamentals
本文系统介绍光子神经网络基础，分析其在能效、速度和低延迟方面的优势，并综述架构、权重技术、激活函数及光学信息训练框架，以推动光子硬件在深度学习中的应用。
2023-11-22 cs.ET physics.optics
Towards Chiral Sensing and Spectroscopy Enabled by All-Dielectric Integrated Photonic Waveguides
手征光谱是一种强大的技术，能够通过光学手段来识别物质的手性。到目前为止，已经使用自由空间传播光束进行了检查物质或纳米结构的手性的实验。然而，为了小型化，期望在光子集成平台中执行手征光谱学，具有这种手征光学装置的大规模并行检测、低成本生产、可重复性和便携性的额外益处。在这里，我们表明，全介质集成光子波导可以支持手征模式下的基本本征模式的适当组合。特别是，我们研究了两种主流配置：一个介质线与方形截面和开槽波导。我们数值分析三种不同的情况下，这种波导可用于手性检测：全介质波导作为近场探针，倏逝诱导的手征领域，和手征光相互作用的空隙。在所有的情况下，我们认为金属纳米螺旋作为手性探针，虽然所有的方法可以扩展到其他种类的手性纳米结构以及物质。我们的研究结果表明，手性应用，如传感和光谱可以实现在标准的集成光学，特别是与硅基技术。
2019-11-25 physics.optics
Inverse design of resonant nanostructures for extraordinary optical transmission of periodic metallic slits
针对具有特殊光学传输性能的周期性金属狭缝，提出了反向确定双边纳米结构的共振构型。拓扑优化方法被用来实现逆设计过程。几种几何构型的双边纳米结构的周期性金属狭缝推导。衍生的纳米结构的共振性能证明了由透射光谱，其中的透射峰是在指定的波长在逆设计过程中。这提供了一种通过在反向设计过程中指定期望的入射波长来控制透射峰的红移或蓝移或将谐振性能定位在期望的频率处的方法。推广了逆设计方法，使周期性金属狭缝对入射波长的敏感性降低。该研究可进一步推广到反求异常光吸收和其他基于表面激元的光子器件的亚波长共振结构。我们将在未来的研究中探讨三维孔径的逆向设计。
2017-12-03 math.OC physics.comp-ph physics.optics
Observations of zero-order bandgaps in negative-index photonic crystal superlattices at the near-infrared
首次在近红外波段观测到了由负折射率光子晶体和正折射率介质材料交替堆叠而成的光子晶体超晶格的零n带隙。由从头算三维数值模拟的指导下，所制造的纳米结构超晶格证明了零级间隙的存在下，在一个范围内的不同的超晶格周期和单位晶胞的变化与理论预测显着一致。这些体积平均的零折射率超晶格结构提出了一种新型的光子带隙，具有完全波前控制的任意相位延迟线和开放腔共振的潜力。
2009-04-15 physics.optics
Efficient passivation of III-As(P) photonic interfaces
针对干法刻蚀的III-As(P)量子阱光子纳米结构，提出PH₃氛围退火结合宽带隙材料封装的钝化方法，大幅降低表面复合速度和电荷密度，提升器件性能。
2025-02-12 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
