多年來(lái)，許多電子設(shè)備已經(jīng)小型化到比它們?cè)瓉?lái)的前輩小得多的規(guī)模。對(duì)于許多電子設(shè)備，將電子元件（電池、電路等）微型化至微米級(jí)然后納米級(jí)已經(jīng)足以減小設(shè)備的整體尺寸，同時(shí)保持其高效率。

然而，使用光學(xué)元件的設(shè)備本身就更難小型化和增強(qiáng)，因?yàn)槠渲惺褂玫牟牧闲枰浅８哔|(zhì)量，并且設(shè)備本身需要非常精確。在過(guò)去十年左右的時(shí)間里，納米材料在光學(xué)和光子設(shè)備中的使用顯著增加，現(xiàn)在它們出現(xiàn)在從鏡頭上的光學(xué)涂層到光電探測(cè)器、光偏振器等的方方面面。

納米材料的合適特性

納米材料的許多不同特性使它們能夠吸收、反射和操縱光以實(shí)現(xiàn)所需的效果。這些已被用于一系列光學(xué)和光子設(shè)備（以及使用光學(xué)元件的設(shè)備）。

納米材料固有的小尺寸使得使用它們的組件和設(shè)備比體積更大的同類產(chǎn)品更小。除了尺寸小，許多納米材料的高活性表面積可用于操縱和改變光的特性。由于電子設(shè)備中使用了許多光學(xué)元件，因此那些同時(shí)執(zhí)行光學(xué)和電子功能的元件，例如光電設(shè)備，也需要高導(dǎo)電材料。許多納米材料具有非常高的電導(dǎo)率，可以加以利用。許多納米材料的耐磨性和韌性也很有用。這有助于防止精密的光學(xué)元件損壞，進(jìn)而改變?cè)墓鈱W(xué)效率。

納米材料在光學(xué)和光子技術(shù)中的另一個(gè)重要方面是它們表現(xiàn)出強(qiáng)烈的光-物質(zhì)相互作用，確保光學(xué)元件有效地與光相互作用。許多納米材料還表現(xiàn)出廣泛的光學(xué)響應(yīng)和快速的弛豫時(shí)間，有些材料的效率足以用于太赫茲技術(shù)。即使光學(xué)元件保持納米尺寸——這意味著它們被用作獨(dú)立的納米元件而不是更大元件的一部分——它們也可以很容易地與其他更大的光學(xué)元件集成。

光學(xué)技術(shù)

光學(xué)元件中的納米材料范圍很廣，從依賴其光學(xué)特性發(fā)揮功能的完整設(shè)備，到用于非光學(xué)設(shè)備的組件，再到用于保護(hù)和增強(qiáng)設(shè)備光學(xué)特性的光學(xué)涂層。

許多電子設(shè)備和大型技術(shù)都使用鏡頭。透鏡通常太大而不能完全由納米材料制成。然而，可以將不同材料的納米結(jié)構(gòu)結(jié)合到不同的鏡片中以提高鏡片的光學(xué)性能和韌性。鏡片更常見的選擇之一是使用基于納米材料的涂層（或用于高科技應(yīng)用的特定薄膜），這也提高了鏡片的性能和耐磨性/韌性，而不需要直接將納米材料摻入鏡片中鏡頭。這種方法成本較低，因?yàn)榭梢允褂贸杀镜偷枚嗟臉?biāo)準(zhǔn)鏡頭（少量涂層通常不會(huì)太昂貴）。此外，涂層的使用可以為鏡片帶來(lái)特定的效果，例如抗反射特性。

雖然基本鏡片通常不需要納米材料，但在鏡片和涂層/薄膜中使用納米結(jié)構(gòu)，除了基本性能和光學(xué)清晰度增強(qiáng)外，還可以極大地改變鏡片的特性。一種更常見的方法是將鏡頭變成高效的濾光器或光學(xué)偏振器，這兩種技術(shù)都用于一系列技術(shù)中。

納米材料的其他一些具體應(yīng)用包括光腔、可飽和吸收器和用于超快激光的光開關(guān)，以及互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 傳感器、用于檢測(cè)各種生物分子的光學(xué)生物傳感器和可穿戴光學(xué)技術(shù)。

光子技術(shù)

光學(xué)和光子學(xué)的許多領(lǐng)域是重疊的，因?yàn)樗鼈兌继幚砉?，盡管有一些特定領(lǐng)域納米材料僅用于光子應(yīng)用（例如光的處理和傳感，而不是與光有關(guān)的操縱）許多光學(xué)元件）。

設(shè)計(jì)工程師也可以將光子納米結(jié)構(gòu)整合到不同的鏡頭中。與許多納米材料增強(qiáng)型光學(xué)透鏡一樣，光子納米結(jié)構(gòu)提高了顯微鏡的性能。納米光子學(xué)的另一個(gè)大領(lǐng)域是光電探測(cè)器，因?yàn)樵S多納米材料的電磁吸收特性導(dǎo)致高效的光電探測(cè)器，用于許多技術(shù)，包括計(jì)算機(jī)。此外，由于許多納米材料具有較寬的吸收光譜，這些光電探測(cè)器可以探測(cè)紫外線 (UV)、紅外線 (IR) 和可見光的光子。

納米材料已被用于在光纖電纜中制造一系列組件。其中包括濾光器和布拉格光柵，它們要么在光纜中單獨(dú)使用，要么用于構(gòu)建其他組件，例如光纖風(fēng)速計(jì)。許多納米材料被用于構(gòu)建光纖電纜的不同部分，因?yàn)樗鼈兣c傳播的光有強(qiáng)烈的相互作用。納米材料用于制造基于光子學(xué)的設(shè)備的其他領(lǐng)域包括將電磁波轉(zhuǎn)換為電流的光纖整流天線、更先進(jìn)的磁記錄設(shè)備，以及提高光譜和太陽(yáng)能電池技術(shù)中的光強(qiáng)度的方法，等等。

結(jié)論

光學(xué)和光子技術(shù)最近取得了進(jìn)步，但對(duì)高精度組件的需求使得它們的改進(jìn)比許多其他技術(shù)更具挑戰(zhàn)性。然而，近年來(lái)，由于納米材料與光的強(qiáng)烈相互作用以及它們能夠操縱光的特性，因此廣泛使用了納米材料。因此，正在開發(fā)更多使用高科技納米材料光學(xué)和光子元件的技術(shù)。

審核編輯黃昊宇