多年來，許多電子設備已經(jīng)小型化到比它們原來的前輩小得多的規(guī)模。對于許多電子設備，將電子元件（電池、電路等）微型化至微米級然后納米級已經(jīng)足以減小設備的整體尺寸，同時保持其高效率。

然而，使用光學元件的設備本身就更難小型化和增強，因為其中使用的材料需要非常高質(zhì)量，并且設備本身需要非常精確。在過去十年左右的時間里，納米材料在光學和光子設備中的使用顯著增加，現(xiàn)在它們出現(xiàn)在從鏡頭上的光學涂層到光電探測器、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、反射和操縱光以實現(xiàn)所需的效果。這些已被用于一系列光學和光子設備（以及使用光學元件的設備）。

納米材料固有的小尺寸使得使用它們的組件和設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。由于電子設備中使用了許多光學元件，因此那些同時執(zhí)行光學和電子功能的元件，例如光電設備，也需要高導電材料。許多納米材料具有非常高的電導率，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元件損壞，進而改變元件的光學效率。

納米材料在光學和光子技術(shù)中的另一個重要方面是它們表現(xiàn)出強烈的光-物質(zhì)相互作用，確保光學元件有效地與光相互作用。許多納米材料還表現(xiàn)出廣泛的光學響應和快速的弛豫時間，有些材料的效率足以用于太赫茲技術(shù)。即使光學元件保持納米尺寸——這意味著它們被用作獨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元件集成。

光學技術(shù)

光學元件中的納米材料范圍很廣，從依賴其光學特性發(fā)揮功能的完整設備，到用于非光學設備的組件，再到用于保護和增強設備光學特性的光學涂層。

許多電子設備和大型技術(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，因為可以使用成本低得多的標準鏡頭（少量涂層通常不會太昂貴）。此外，涂層的使用可以為鏡片帶來特定的效果，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清晰度增強外，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用包括光腔、可飽和吸收器和用于超快激光的光開關，以及互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 傳感器、用于檢測各種生物分子的光學生物傳感器和可穿戴光學技術(shù)。

光子技術(shù)

光學和光子學的許多領域是重疊的，因為它們都處理光，盡管有一些特定領域納米材料僅用于光子應用（例如光的處理和傳感，而不是與光有關的操縱）許多光學元件）。

設計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型光學透鏡一樣，光子納米結(jié)構(gòu)提高了顯微鏡的性能。納米光子學的另一個大領域是光電探測器，因為許多納米材料的電磁吸收特性導致高效的光電探測器，用于許多技術(shù)，包括計算機。此外，由于許多納米材料具有較寬的吸收光譜，這些光電探測器可以探測紫外線 (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使用，要么用于構(gòu)建其他組件，例如光纖風速計。許多納米材料被用于構(gòu)建光纖電纜的不同部分，因為它們與傳播的光有強烈的相互作用。納米材料用于制造基于光子學的設備的其他領域包括將電磁波轉(zhuǎn)換為電流的光纖整流天線、更先進的磁記錄設備，以及提高光譜和太陽能電池技術(shù)中的光強度的方法，等等。

結(jié)論

光學和光子技術(shù)最近取得了進步，但對高精度組件的需求使得它們的改進比許多其他技術(shù)更具挑戰(zhàn)性。然而，近年來，由于納米材料與光的強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和光子元件的技術(shù)。

審核編輯黃昊宇