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先进的近场光研究或促进高分辨率显微镜技术

作者:实验帮译 来源:物理学家组织网 时间:2020-07-29 12:10 阅读:86 [投稿]
哈佛大学工程与应用科学学院的研究人员已经开发出一种系统来塑造近场光,为这种强大的、基本上未被探索的光打开了前所未有的控制之门。

光有很多种,有些是肉眼可见的,有些是看不见的。例如,当紫外线照射到我们的眼睛时,我们的眼睛和大脑没有处理紫外线的工具,这让它变得不可见。但是还有另一种光是看不见的,因为它永远不会到达我们的眼睛。当光线照射到某些表面时,它的一部分会粘住并留在后面,而不是被传输或散射掉。这种光被称为近场光。

目前,近场光主要用于超高分辨率显微镜,即近场扫描光学显微镜(NSOM)。然而,近场光在粒子操纵、传感和光通信方面也有未开发的潜力。但是由于近场光不像远场光那样到达我们的眼睛,研究人员还没有开发出一套综合性的工具来利用和操纵近场。

“今天,我们有很多工具和技术来设计远场光的样子,”哈佛约翰a.保尔森工程与应用科学学院(SEAS)客座教授文森特·吉尼斯(Vincent Ginis),“说我们有镜头,望远镜,棱镜和全息图。所有这些都使我们能够雕刻出在空中自由传播的光。”

而如今,哈佛大学工程与应用科学学院的研究人员已经开发出一种系统来塑造近场光,为这种强大的、基本上未被探索的光打开了前所未有的控制之门。这项研究发表在《科学Science》杂志上。


上图所示为一种呈现大象模样的局部光线。传导光束是通过在两个模式转换器之间来回反弹而成的。图片来源:哈佛大学工程与应用科学学院

“多年来,我们的团队已经开发出新的强大的技术,利用亚波长模式的超表面来构造传播的光,”应用物理学教授和电气工程高级研究员、论文的高级作者费德里科·卡帕索(Federico Capasso)说,“通过这项工作,我们展示了如何在远处构建近场,从而在科学和技术领域开辟令人兴奋的机会。

为了操纵近场光,研究人员开发了一种装置,在这种装置中,光被限制在波导管中,在两个反射器之间来回反弹。每次反弹后,它都会改变模式,这意味着它以不同的空间模式传播。在多次反弹的情况下,这些图案叠加在一起形成了沿波导的复杂光强度分布。波导表面附近的近场光也会发生变化。当近场光的所有不同图案相互叠加时,就会产生一个特定的形状。研究人员可以通过调整反射光模式的振幅来预先编程这种形状。

“所有这些模式的共存可以被设计成在设备表面随意创造近场景观,”哈佛大学工程与应用科学学院的研究助理、论文合著者马可·皮卡多(Marco Piccardo)说,“景观的形状是由级联光的综合特性决定的。”

“这有点像音乐,”吉尼斯说,“你所听到的音乐是许多音符或模式的叠加,这些音符或模式是由作曲家构思的。单是一个音符并不多,但把它放在一起你就可以产生任何类型的音乐。当音乐在时间上运行时,我们的近场发生器在三维空间中工作,我们的设备的另一个有趣之处在于一个音符产生另一个音符。”

重要的是,这种成型过程是远程进行的,这意味着设备的任何部分都不会直接与近场光交互。这减少了干扰,而干扰对于粒子操纵等应用很重要,并且与当前在金属尖端和纳米颗粒上发光等近场雕刻的局部方法有很大的不同。

为了证明他们的设计,研究人员将近场光塑造成大象的形状。或者,更具体地说,一头大象在大蟒蛇里,这是对安托万·德圣·埃克索佩里的经典作品《小王子》中的维度游戏的敬意。

研究人员还将光线塑造成曲线、平面和直线。

卡帕索说:“这项研究为实现前所未有的近场光三维控制提供了一条新途径。这是一个预兆,预示着我希望这项工作在未来会有令人兴奋的发现和技术发展。”

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