Science:「馴服」近場光

2020-12-04 澎湃新聞

原創 長光所Light中心 中國光學 

撰稿 | Eva

不管是傍晚夕陽西下時分的美麗的火燒雲、還是夜幕下閃爍的星空，這些都是可見光為我們打造的世界，光的種類很多，可見光的光譜僅佔電磁波的很小一部分，但是有種類型的光之所以不可見，僅僅是它們無法傳播到我們的眼睛中，當光線照射到某些表面時，一部分光會停留在表面附近而沒有被傳輸或者散射掉，我們稱這種類型的光為近場光。

何為近場光？近場光是相對傳統的遠場光而言的，我們通常將距離物體表面一個波長以內的光稱為近場光，所以通過探測近場光可以獲得亞波長信息，近年來為了突破光學衍射極限的限制發展出的近場掃描光學顯微鏡使得近場光的研究獲得了進一步的發展，探測近場光可實現納米量級的解析度，但是近場光在粒子操縱、近場傳感、光通信、非輻射能量轉移等方面的潛力尚未開發出來。

由於近場光無法像遠場光那樣進入我們的眼睛，所以此前研究人員尚未開發出能利用和「操控」近場光的工具。

怎麼理解「操控」？哈佛大學工程與應用科學學院的客座教授Vincent Ginis說：」當今，我們有非常多的工具和技術來設計遠場光的形貌，我們有各種透鏡、望遠鏡、稜鏡、全息圖等等，所有這些東西使得我們可以操控在自由空間傳輸的光「，所以類似遠場光的操控，近場光也可以通過各種工具實現對於光束的形貌進行操控。

近日，哈佛大學Federico Capasso（

拓展連結1：人物介紹）領導研究團隊在操控近場光方面取得了重要進展，研究人員開發出了一套模擬近場光的系統，從而叩開了遠程操控這種應用潛力巨大類型光的大門。研究成果以「Remote structuring of near-field landscapes」為題發表在Science。

作者是：Vincent Ginis, Marco Piccardo, Michele Tamagnone, Jinsheng Lu, Min Qiu, Simon Kheifets, Federico Capasso.

圖1：三個設備近場空頻域的實驗圖和理論圖

圖源：Science 24 Jul 2020: Vol. 369, Issue 6502, pp. 436-440 (Fig. 4)

傳統的構造上述光場的技術主要是基於經典天線理論的觀點，其中電介質或等離子體散射體將傳播的波轉換成局部的近場輻射圖像。而文章的研究人員的技術背後的核心思想是基於許多具有不同傳播常數的方向傳播的導波的幹涉來構造近場光。

實驗方面研究人員搭建了近場掃描微波顯微鏡，主要包括四個部分，頻率合成器、微波傳輸帶、安裝在電動平臺上的掃描探針、以及頻譜分析儀。

圖2 搭建近場掃描微波顯微鏡

圖源：Science 24 Jul 2020: Vol. 369, Issue 6502, pp. 436-440 （Supplementary Materials）

其中微波傳輸帶由兩個模式轉換器組成，一種導模從一側進入，在另一側與模式轉換器交互。此過程會生成不同的反向傳播模式，然後與最左邊的模式轉換器交互。新生成的模式與模式轉換器之間的級聯交互形成許多導波的幹涉總和，從而完成了一種遠程而不是局部的近場調控理論方案。

圖3 使用轉換器的遠程近場調控

圖源：Science 24 Jul 2020: Vol. 369, Issue 6502, pp. 436-440 (Fig. 1)

分析表明，與標準傅立葉級數相似，許多空間輪廓可以通過餘弦的總和近似地表示。這些空間輪廓可以在波導上方區域中實現，在距離界面較遠的距離處，強度將呈指數下降。

利用僅有的幾種模式就可以生成豐富的近場輪廓，正如馮·諾依曼曾說：「給我四個參數我就能設計一頭大象的形貌，五個參數就能扭動它的軀幹」，（

），研究人員證實確實能有可能僅使用四種模式來設計形狀像大象形狀的近場輪廓。

圖4 設計大象形狀的近場光輪廓

圖源：Harvard SEAS

除了設計沿傳播方向的縱向近場輪廓以外，理論還可構造橫向近場輪廓，即在垂直於界面的方向上。並通過實驗證實了理論。

圖5 測量近場景觀

圖源：Science 24 Jul 2020: Vol. 369, Issue 6502, pp. 436-440 (Fig. 4)

研究人員突破性的通過引入級聯模式轉換的概念，實現了遠程控制近場，並且在結構上取消了傳統的天線，所以在設計上有很大的自由度，例如可以實現近場的非單調變化，僅通過幾個自由參量就可以實現任意的操縱近場的縱向和橫向變化。

像電磁學中的許多其他方法一樣，這種的技術可以實現在物理學中對不同波的操縱。推進了粒子操控、高解析度顯微鏡、通信等領域的發展。

文章信息

Science 24 Jul 2020: Vol. 369, Issue 6502, pp. 436-440

DOI: 10.1126/science.abb6406

論文網址

https://science.sciencemag.org/content/369/6502/436

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原標題：《Science：「馴服」近場光》

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