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光学工程
利用氧化锌纳米晶体制造光学共振腔
      德国 University of Leipzig 的科学家利用氧化锌 (zinc oxide) 纳米晶体制造目前最小的可见光共振腔。利用其对波长的选择性,此纳米晶体可以用来增幅特定波长的光的强度。这项工作可以增进我们对纳米尺度下光的行为的了解。 

      英国伦敦圣保罗大教堂里有一处椭圆形拱室是相当著名的观光景点之一,分别站在椭圆两个焦点上的两位游客可以轻声对话而不被其它人听见,这类的拱室有个别致的称呼:『耳语廊』(whispering gallery)。不只是声波,光波也有类似的行为,这是所谓的『光学共振腔』。光学共振腔并不是非常新鲜的观念,早在发展激光的同时科学家就知道透过特殊设计的共振腔,我们可以使进入内部的光不断重复原来的行进路线,这一行进模式便称为为光的『耳语廊模式』(wispering-gallery mode)。如果单程光径的长度恰好是波长的整数倍,光的强度因为建设性干涉的缘故可以在行进过程中大幅增加。如果我们可以设计一个仅仅只有纳米尺度大小的光学共振腔,那么就有机会实现所谓的纳米激光。但由于现有的光学共振腔理论所应用的尺度远大于纳米,有理论学家因此对实现纳米光学共振腔的可行性抱持着较保守的态度。 

      不过就在前不久,德国 Leipzig 大学的科学家在物理学评论通讯(Physical Review Letters)发表了只有数百个纳米的可见光共振腔实验报告。研究小组参考加州大学 Berkeley 分校化学系 P. Yang 所发展的 chemical vapor transport and condensation 系统,经由气相-液相-固相机制来制造氧化锌晶体。他们首先在系统高温区通入氧化锌以及石墨粉末,将氧化锌还原成锌以及二氧化碳、一氧化碳。皆下来将锌与含有金的溶剂在低温区反应形成液态锌-金合金。当此液态合金过饱和同时,合金中的锌再度与二氧化碳、一氧化碳中的氧结合形成截面是六角形的针状氧化锌纳米晶体,晶体内部同时形成也是六角形的空腔,金在整个过程中扮演类似触媒的角色。 

      研究人员利用电子束激发氧化锌晶体使其发出可见光,频谱分析的结果显示出射光的成分里有一至三个不同波长的光其出射能量明显大于其它波段的出射光。透过数值仿真,研究人员发现这些被增幅的光波长恰好是晶体六角形空腔边长的整数倍。研究人员对此实验结果感到惊讶,主要原因是理论上并不预期在与波长相同的尺度下观察到耳语廊模式,但实验结果的确说明了在纳米尺度下此一现象的存在。这项研究对于理解光在微观尺度下行为是一项具有启发性的工作,例如如何设计纳米光纤或者是纳米激光等等。

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