纳米技术对光学和光子技术的影响

多年来，许多电子设备已经小型化到比它们原来的前辈小得多的规模。对于许多电子设备，将电子元件（电池、电路等）微型化至微米级然后纳米级已经足以减小设备的整体尺寸，同时保持其高效率。

然而，使用光学元件的设备本身就更难小型化和增强，因为其中使用的材料需要非常高质量，并且设备本身需要非常精确。在过去十年左右的时间里，纳米材料在光学和光子设备中的使用显着增加，现在它们出现在从镜头上的光学涂层到光电探测器、光偏振器等的方方面面。

纳米材料的合适特性

纳米材料的许多不同特性使它们能够吸收、反射和操纵光以实现所需的效果。这些已被用于一系列光学和光子设备（以及使用光学元件的设备）。

纳米材料固有的小尺寸使得使用它们的组件和设备比体积更大的同类产品更小。除了尺寸小，许多纳米材料的高活性表面积可用于操纵和改变光的特性。由于电子设备中使用了许多光学元件，因此那些同时执行光学和电子功能的元件，例如光电设备，也需要高导电材料。许多纳米材料具有非常高的电导率，可以加以利用。许多纳米材料的耐磨性和韧性也很有用。这有助于防止精密的光学元件损坏，进而改变元件的光学效率。

纳米材料在光学和光子技术中的另一个重要方面是它们表现出强烈的光-物质相互作用，确保光学元件有效地与光相互作用。许多纳米材料还表现出广泛的光学响应和快速的弛豫时间，有些材料的效率足以用于太赫兹技术。即使光学元件保持纳米尺寸——这意味着它们被用作独立的纳米元件而不是更大元件的一部分——它们也可以很容易地与其他更大的光学元件集成。

光学技术

光学元件中的纳米材料范围很广，从依赖其光学特性发挥功能的完整设备，到用于非光学设备的组件，再到用于保护和增强设备光学特性的光学涂层。

许多电子设备和大型技术都使用镜头。透镜通常太大而不能完全由纳米材料制成。然而，可以将不同材料的纳米结构结合到不同的镜片中以提高镜片的光学性能和韧性。镜片更常见的选择之一是使用基于纳米材料的涂层（或用于高科技应用的特定薄膜），这也提高了镜片的性能和耐磨性/韧性，而不需要直接将纳米材料掺入镜片中镜头。这种方法成本较低，因为可以使用成本低得多的标准镜头（少量涂层通常不会太昂贵）。此外，涂层的使用可以为镜片带来特定的效果，例如抗反射特性。

虽然基本镜片通常不需要纳米材料，但在镜片和涂层/薄膜中使用纳米结构，除了基本性能和光学清晰度增强外，还可以极大地改变镜片的特性。一种更常见的方法是将镜头变成高效的滤光器或光学偏振器，这两种技术都用于一系列技术中。

纳米材料的其他一些具体应用包括光腔、可饱和吸收器和用于超快激光的光开关，以及互补金属氧化物半导体 (CMOS) 传感器、用于检测各种生物分子的光学生物传感器和可穿戴光学技术。

光子技术

光学和光子学的许多领域是重叠的，因为它们都处理光，尽管有一些特定领域纳米材料仅用于光子应用（例如光的处理和传感，而不是与光有关的操纵）许多光学元件）。

设计工程师也可以将光子纳米结构整合到不同的镜头中。与许多纳米材料增强型光学透镜一样，光子纳米结构提高了显微镜的性能。纳米光子学的另一个大领域是光电探测器，因为许多纳米材料的电磁吸收特性导致高效的光电探测器，用于许多技术，包括计算机。此外，由于许多纳米材料具有较宽的吸收光谱，这些光电探测器可以探测紫外线 (UV)、红外线 (IR) 和可见光的光子。

纳米材料已被用于在光纤电缆中制造一系列组件。其中包括滤光器和布拉格光栅，它们要么在光缆中单独使用，要么用于构建其他组件，例如光纤风速计。许多纳米材料被用于构建光纤电缆的不同部分，因为它们与传播的光有强烈的相互作用。纳米材料用于制造基于光子学的设备的其他领域包括将电磁波转换为电流的光纤整流天线、更先进的磁记录设备，以及提高光谱和太阳能电池技术中的光强度的方法，等等。

结论

光学和光子技术最近取得了进步，但对高精度组件的需求使得它们的改进比许多其他技术更具挑战性。然而，近年来，由于纳米材料与光的强烈相互作用以及它们能够操纵光的特性，因此广泛使用了纳米材料。因此，正在开发更多使用高科技纳米材料光学和光子元件的技术。

审核编辑黄昊宇