光學空間衍射效應是光波動的基本物理特性，空間受限光波場在傳播過程中將經歷衍射發散過程，光場空間尺寸越小，衍射效應越顯著。如何克服光學衍射效應實現無衍射光場傳輸一直是科學家高度關注的科學問題。
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在這方面，光場調控為抑制光波發散，實現無衍射/色散傳輸提供重要機制。例如，通過對光波振幅、相位、偏振以及光學多參量的聯合調控，可以實現Bessel光場、自加速Airy光場、無衍射矢量渦旋光場等時空結構光場。它們的無衍射、自彎曲、自愈等傳輸行為在光通信、光學微操控、量子糾纏等光學領域具有重要應用。
然而對於無衍射光場的研究目前停滯在宏觀和微觀層面，光場結構尺寸遠大於入射光波長。進一步在納觀層面實現極小尺度甚至小于波長的無衍射結構光場面臨經典理論限制：光波衍射極限，即光學衍射效應制約最小光斑尺寸約為波長的二分之一。對於矢量渦旋光場，由於偏振（相位）奇異點的存在勢必會導致光場擴散得更為嚴重。
圖1 亞波長無衍射光場的產生原理示意圖。
為解決上述科學問題，暨南大學理工學院陳振強教授科研團隊提出利用金屬銳邊激發高頻衍射效應來抑制光波發散，通過高頻衍射波的相干疊加產生尺寸小於光學衍射極限的光場結構。由於銳邊激發的高頻衍射分量分布連續，且滿足空間柱對稱條件，可以在極小尺度範圍產生無衍射空間結構光場。
圖1為產生亞波長無衍射結構光場的原理圖；圖2為產生無衍射Bessel光場的理論和實驗結果。
圖2 亞波長無衍射Bessel光場理論與實驗結果。
此外，該研究團隊進一步發現金屬銳邊衍射過程存在矢量渦旋態的透明現象。利用這一物理原理，還產生了拓撲荷為|1|的亞波長無衍射矢量渦旋光場，結果如圖3所示。圖中可以看到，產生的無衍射光場仍然保留了初始光場的矢量渦旋特性，其光場結構束縛在亞波長範圍。上述研究打破了光波尺寸與衍射之間的矛盾，有望在高分辨成像、納米顆粒操控、光存儲等領域得到應用。
圖3 亞波長無衍射矢量渦旋光場理論和實驗結果。
相關成果以「Subwavelength generation of nondiffracting structured light beams」為題於2020年9月28日發表在Optica上，該研究為暨南大學陳振強教授課題組和中山大學李朝暉教授課題組合作完成，論文第一作者為呼燕文博士，通訊作者為付神賀副教授和陳振強教授。該研究得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、廣東省重點項目、廣東省傑出青年基金的支持。
論文連結：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.397988
來自：顏佳琪編輯 愛光學 江蘇雷射聯盟轉載