突破光學顯微鏡成像能力，中國南京大學發明：波導陣列傳輸光

2020-08-11 博科園

光學顯微鏡面臨的挑戰之一是不斷提高成像能力或解析度，在過去的三百多年裡，科學家們一直在建造越來越好的顯微鏡。在很長一段時間裡，極限只由兩個因素決定：被觀察對象的對比度，以及顯微鏡中光學元件的解析度。特別是在過去的50年裡，改善物體對比度和光學質量的技術出現了爆炸性增長。其中一項技術被稱為超級透鏡，超透鏡利用了波的一些特性，能夠分辨出原本看不見的細節。

現在，來自中國南京大學科學家發表了關于波導陣列的結果，這種陣列提供了超級透鏡的許多好處。除此之外，波導陣列沒有通常與超級透鏡製造相關的技術困難。要理解超透鏡，它有助於理解圖像是如何形成的，從一些像大頭針的東西開始，在一個平淡無奇的背景下，當光線照射在針腳上時，它會向四面八方散射。圖像細節保持在光線散射的強度和方向上。

然而，鏡片的尺寸有限，限制了捕捉的光量，從鏡頭捕捉到的光，重建的圖像將不會有從未到達鏡頭光所攜帶的細節。對於最好的特徵來說，鏡頭捕捉光線的角度是沒有的，因為光線不會傳播。取而代之的是，波迅速(指數級)消失，在幾個波長內，強度非常接近於零。具有顯微鏡典型工作距離的透鏡，不會捕捉到這些所謂的消逝波。研究設計了一種超級透鏡來捕捉這些細節保持的消逝波。

要實現這一點，鏡頭必須由具有負折射率(正常材料具有正折射率)的超材料構建。然而，超材料不容易製造，性能也不好。擊中超級透鏡的大部分光線都是從它反射出來，而在內部，用來產生超材料的物質吸收了大量光。因此，鏡頭捕捉到了很好的細節，但圖像對比度很差。南大研究的透鏡由彼此放置得非常近的波導陣列組成，每個波導正好從波導開口前面捕獲光線，用於重建圖像。

波導量的控制

間距很小的波導不能傳輸圖像，當波導靠得很近時，光從一個波導流向另一個波導。如果圖像在密集的波導陣列中傳輸，則圖像將完全隨機化。為了繞過這個問題，研究人員利用了波導之間的耦合是如何工作的。在直平行波導中，陣列之間的耦合可以用一個固定正數來表示。這個數字給出了交換波導光的分數作為距離函數，然而，如果波導是平行的，但以波浪狀的方式彎曲，那麼耦合可能是負的。

更具體地說：想像兩根緊靠在一起的直波導。光進入一個波導，並以耦合常數給定的速率傳播到第二個波導。然後光線進入曲折，曲折的耦合係數大小相等，但為負值。這一部分精確地取消了擴散，因此所有的光，都從它進入的同一波導中出來。研究人員用13根波導陣列演示了這一效應。研究表明，儘管光在直段發生了嚴重的混合，但光始終會從它耦合到的波導中流出。

這只是故事的開始，通過掃描波導陣列可以建立圖像，通過減小波導的孔徑可以進一步提高解析度。研究展示的結構還有其他用途，與電子系統相比，用於計算和通信的集成光學電路很大。間隔由控制相鄰波導之間耦合的需要決定。這項研究展示了如何在沒有無用耦合的情況下獲得高密度波導，最終，這可能會發現比高解析度成像更廣泛的應用。

博科園｜研究/來自：中國南京大學/SPIE

研究發表期刊《Advanced Photonics》

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