將光聚焦到與波長(zhǎng)本身相當(dāng)?shù)奈⑿◇w積內(nèi)是一項(xiàng)至關(guān)重要的挑戰(zhàn)，對(duì)眾多應(yīng)用具有重要意義。來(lái)自荷蘭原子分子物理研究所（AMOLF）、代爾夫特理工大學(xué)（TU Delft）和美國(guó)康奈爾大學(xué)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(zhì)，且相比其他方法能覆蓋更廣的波長(zhǎng)范圍。相關(guān)成果于4月18日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。

光聚焦對(duì)于光子芯片上的量子通信、光學(xué)傳感器和片上激光器等技術(shù)應(yīng)用至關(guān)重要。AMOLF研究組負(fù)責(zé)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(xué)諧振腔，另一種是通過(guò)類似漏斗的波導(dǎo)壓縮光場(chǎng)。第一種方法依賴共振效應(yīng)，但會(huì)將光聚焦限制在特定波長(zhǎng)；第二種方法類似傳統(tǒng)透鏡，但需要器件尺寸遠(yuǎn)大于光波長(zhǎng)。"

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波導(dǎo)末端“壁”處的光聚焦的效果圖

康奈爾大學(xué)Gennady Shvets團(tuán)隊(duì)提出的理論構(gòu)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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該理論的核心機(jī)制——物理系統(tǒng)的拓?fù)涮匦浴?/p>

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(jié)構(gòu)原則上會(huì)阻止光在硅片中傳播。但當(dāng)我們將兩片具有鏡像對(duì)稱孔陣列的光子晶體并置時(shí)，其邊界會(huì)形成一種波導(dǎo)：光只能沿邊界傳播。這種設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處在于，光的傳導(dǎo)具有'拓?fù)浔Ｗo(hù)'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(dǎo)末端設(shè)置一道"光無(wú)法穿透的墻"，觀察會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象。"由于光無(wú)處可去且反射被抑制，它應(yīng)該在墻前不斷積累，"Muis說(shuō)，"雖然光最終會(huì)通過(guò)波導(dǎo)返回，但這一延遲過(guò)程導(dǎo)致了光場(chǎng)的局部增強(qiáng)。"

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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(nèi)光強(qiáng)測(cè)量結(jié)果。

AMOLF的Verhagen團(tuán)隊(duì)與代爾夫特理工大學(xué)的Kobus Kuipers團(tuán)隊(duì)聯(lián)合康奈爾大學(xué)研究人員，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一理論預(yù)測(cè)。研究團(tuán)隊(duì)在AMOLF制備了硅基拓?fù)洳▽?dǎo)芯片。為觀測(cè)光子晶體內(nèi)光場(chǎng)積累現(xiàn)象，Muis使用代爾夫特理工大學(xué)特有的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡——通過(guò)晶體表面超薄探針掃描光場(chǎng)，該技術(shù)可將光強(qiáng)定位精度提升至比人類頭發(fā)細(xì)千倍的尺度。

Muis表示："我們確實(shí)觀察到拓?fù)洳▽?dǎo)末端光場(chǎng)的顯著增強(qiáng)。有趣的是，只有當(dāng)終止波導(dǎo)的'墻'以特定角度放置時(shí)，這種現(xiàn)象才會(huì)出現(xiàn)。這與康奈爾團(tuán)隊(duì)的理論預(yù)測(cè)完全一致。這證明了光放大效應(yīng)與拓?fù)湟种品聪蚍瓷渲苯酉嚓P(guān)。該方法的光場(chǎng)增強(qiáng)區(qū)域極小，與光波長(zhǎng)尺度相當(dāng)，且具有寬頻帶兼容性優(yōu)勢(shì)——可適用于多種不同波長(zhǎng)。"

這篇由Muis與康奈爾大學(xué)Yandong Li共同貢獻(xiàn)的論文，為片上光放大技術(shù)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供了可行性方案。研究人員指出，該機(jī)制同樣適用于其他結(jié)構(gòu)化介質(zhì)中的波動(dòng)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(chǎng)持續(xù)積累時(shí)間窗口，以最大化場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，并推動(dòng)光學(xué)芯片上的光操控應(yīng)用發(fā)展。"

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adr9569