將光聚焦到與波長本身相當?shù)奈⑿◇w積內是一項至關重要的挑戰(zhàn)，對眾多應用具有重要意義。來自荷蘭原子分子物理研究所（AMOLF）、代爾夫特理工大學（TU Delft）和美國康奈爾大學的研究人員展示了一種在極小尺度上聚焦光的新方法。該方法利用光子晶體的特殊性質，且相比其他方法能覆蓋更廣的波長范圍。相關成果于4月18日發(fā)表在《科學進展》（Science Advances）上。

光聚焦對于光子芯片上的量子通信、光學傳感器和片上激光器等技術應用至關重要。AMOLF研究組負責人Ewold Verhagen表示："目前我們有兩種主要的光聚焦策略：一種是利用光學諧振腔，另一種是通過類似漏斗的波導壓縮光場。第一種方法依賴共振效應，但會將光聚焦限制在特定波長；第二種方法類似傳統(tǒng)透鏡，但需要器件尺寸遠大于光波長。"

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波導末端“壁”處的光聚焦的效果圖

康奈爾大學Gennady Shvets團隊提出的理論構想為這一新方法指明了方向。博士生Daniel Muis及其同事首次通過實驗驗證了該理論的核心機制——物理系統(tǒng)的拓撲特性。

Muis解釋道："我們使用光子晶體（即具有規(guī)則微孔陣列的硅片），這種結構原則上會阻止光在硅片中傳播。但當我們將兩片具有鏡像對稱孔陣列的光子晶體并置時，其邊界會形成一種波導：光只能沿邊界傳播。這種設計的獨特之處在于，光的傳導具有'拓撲保護'特性，能有效抑制晶體缺陷引起的光散射或反射。"

研究人員嘗試在波導末端設置一道"光無法穿透的墻"，觀察會發(fā)生什么現(xiàn)象。"由于光無處可去且反射被抑制，它應該在墻前不斷積累，"Muis說，"雖然光最終會通過波導返回，但這一延遲過程導致了光場的局部增強。"

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左圖：硅光子晶體的電子顯微鏡圖像；右圖：光子晶體內光強測量結果。

AMOLF的Verhagen團隊與代爾夫特理工大學的Kobus Kuipers團隊聯(lián)合康奈爾大學研究人員，通過實驗驗證了這一理論預測。研究團隊在AMOLF制備了硅基拓撲波導芯片。為觀測光子晶體內光場積累現(xiàn)象，Muis使用代爾夫特理工大學特有的近場光學顯微鏡——通過晶體表面超薄探針掃描光場，該技術可將光強定位精度提升至比人類頭發(fā)細千倍的尺度。

Muis表示："我們確實觀察到拓撲波導末端光場的顯著增強。有趣的是，只有當終止波導的'墻'以特定角度放置時，這種現(xiàn)象才會出現(xiàn)。這與康奈爾團隊的理論預測完全一致。這證明了光放大效應與拓撲抑制反向反射直接相關。該方法的光場增強區(qū)域極小，與光波長尺度相當，且具有寬頻帶兼容性優(yōu)勢——可適用于多種不同波長。"

這篇由Muis與康奈爾大學Yandong Li共同貢獻的論文，為片上光放大技術的進一步研究和應用提供了可行性方案。研究人員指出，該機制同樣適用于其他結構化介質中的波動現(xiàn)象，包括聲波甚至特定晶體中的電子波。

Muis展望道："下一步研究將探索脈沖激光下的光場持續(xù)積累時間窗口，以最大化場增強效應，并推動光學芯片上的光操控應用發(fā)展。"

相關鏈接：https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adr9569