探索·收穫!現代工學院李濤研究組在超透鏡成像獲得重要進展:密集...

2020-11-25 澎湃新聞

昨日小南推文

探索·收穫！南大天文與空間科學學院最新成果揭示日珥奧秘

近日，現代工學院李濤教授研究組報導了他們在超透鏡（Superlens）研究方面的重要進展。他們通過級聯的直波導和彎曲波導陣列來模擬正折射率和負折射率材料，實現了亞波長的自成像功能。

成果以"Subwavelength self-imaging in cascaded waveguide arrays"為題發表在《先進光子學》（Advanced Photonics 2, 036001 (2020)）。南京大學現代工學院16級直博生宋萬鴿為該論文的第一作者，李濤教授為論文的通訊作者。

在亞波長尺度上實現光場的精準調控對於成像技術以及光子集成都有重要的意義。為了實現超分辨成像，人們利用負折射率的超構材料，提出了超透鏡的設計。

然而，實現這種負的介電常數和磁導率往往需要複雜的結構設計以及精準的加工技術。為了避免這些問題，人們通過設計加工多層膜結構以及納米線陣列的結構, 得到呈雙曲型的色散曲線。雖然這種雙曲色散材料相比於負折射率的超構材料加工難度有所降低，但是由於這些材料的各向異性，它們與空氣背景的界面處存在阻抗失配，因此往往會導致巨大的損耗。

另一方面，光波導陣列目前已被廣泛地應用到光場的靈活調控上來。如果從有效介質的觀點來看，波導陣列體系和超構材料體系都具有亞波長的晶格單元。

例如，多層膜結構或納米柱陣列結構的超構材料其實可以看作是一維的平板波導陣列或二維的圓柱波導陣列，因此它們在效應上應該具有一定的相似性。值得注意的是，雙曲材料其特殊的色散曲線很大程度上來源於緊密排列的多層膜或納米柱之間的耦合效應。

因此，可以用通過精準調控耦合的波導陣列來模擬雙曲材料等效的負折射係數。這樣結構會得到大大的簡化，但是一些不平庸的效應和功能卻仍然可以保留下來，比如說，打破衍射極限的成像。

本工作提出了一種基於直波導和彎曲波導級聯型陣列，並在一維矽波導中成功演示了亞波長的自成像功能。他們借鑑了超透鏡的設計原理，用直波導陣列扮演正折射率介質，而彎曲波導陣列具有相反的色散關係，因此可以模擬負折射率介質。

有趣的是，直波導和彎曲波導這兩部分可以在結構上完美地銜接起來，同時由於它們的傳播常數非常接近，在連接處的阻抗匹配條件可以得到滿足。因此，界面處的散射損耗可以被很好的抑制掉。在實驗上，研究人員設計了具有多個輸入輸出埠（光柵）的級聯波導陣列。他們用近紅外的雷射打在不同的輸入埠上，用CCD來觀察光的耦入耦出情況。研究人員發現，即便是在亞波長的尺度下，級聯型波導陣列依然可以完美地將輸入信號匯聚到特定的波導上輸出，輸出波導的位置和輸入波導的位置保持一致，這就實現了亞波長的自成像功能。

相比於前人通過表面等離激元和超構材料的設計來實現的亞波長成像，比如等離激元透鏡和雙曲透鏡，這種設計在低損耗，加工難度，以及阻抗匹配方面都具有優勢，為在亞波長的尺度上調控光場提供了強大的手段。

同時這種對輸入信號的完美傳輸與復現也為片上光路由和高密度低串擾的光子集成提供了一種切實可行的解決方案。這種方案也可以拓展到二維波導陣列體系，基於此可以實現真正的打破衍射極限的成像透鏡的功能。該工作被SPIE News和PhysOrg News以"Waveguide array transports light without distortion"為題進行亮點報導。

該項研究得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、南京大學登峰人才計劃等項目的支持以及固體微結構物理國家重點實驗室微加工中心的技術支持。

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論文連結：http://www.clp.ac.cn/EN/Article/OJ20a6c440c33b1a69

SPIE News：https://spie.org/news/waveguide-array-transports-light-without-distortion?SSO=1

PhysOrg News：https://phys.org/news/2020-05-waveguide-array-distortion.html

圖文速覽：

圖一、級聯型波導陣列實現亞波長成像的示意圖。

圖二、級聯波導陣列中的亞波長自成像：(a) 正負耦合結合的波導陣列可以超透鏡的功能。 (b) 級聯波導陣列示意圖。 (c) 模擬的光場傳播情況。(d) 模擬的 "0"/"1" 編碼的信號在級聯波導陣列中的傳輸情況。輸出信號完美地復現了輸入信號。(e) 實驗加工的級聯波導樣品的SEM 圖。(f,g) CCD記錄的光場在直波導(f)與級聯波導(g)樣品中的傳播情況。下方的柱狀圖展示了輸出埠光場強度分布情況，紅色箭頭標註了光場輸入的位置。

原標題：《探索·收穫！現代工學院李濤研究組在超透鏡成像獲得重要進展：密集波導陣列實現亞波長自成像》

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