荷蘭原子與分子物理研究所、代爾夫特理工大學(xué)和美國(guó)康奈爾大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種革命性光聚焦技術(shù)，可將光束縛在與自身波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)臉O小空間內(nèi)。該方法利用了光子晶體的特殊性質(zhì)，適用波長(zhǎng)范圍更廣，能形成極高強(qiáng)度的局域光場(chǎng)，可為光子芯片、量子通信等領(lǐng)域帶來(lái)突破。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《科學(xué)進(jìn)展》雜志。
傳統(tǒng)光聚焦技術(shù)存在固有局限：光學(xué)諧振腔依賴特定波長(zhǎng)共振，而透鏡類波導(dǎo)僅適用于遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的器件。此次，團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，首次利用拓?fù)涔庾泳w的特殊性質(zhì)破解難題。
團(tuán)隊(duì)使用的光子晶體，是由硅制成的薄片，上面刻有非常小的孔洞陣列。從原理上講，這些孔洞會(huì)阻止光線在硅薄片中的傳播。但將兩片鏡像對(duì)稱的晶體并排放置時(shí)，它們的邊界處就會(huì)形成一個(gè)波導(dǎo)，光線只能沿著邊界移動(dòng)。這種設(shè)計(jì)的特別之處在于，光線的傳導(dǎo)是受拓?fù)浔Ｗo(hù)的，這意味著晶體中的缺陷對(duì)光線的散射或反射被抑制了。
團(tuán)隊(duì)在波導(dǎo)末端設(shè)置了光線無(wú)法穿透的反射“墻”。由于拓?fù)浔Ｗo(hù)機(jī)制，入射光被“困”在界面處持續(xù)累積，形成強(qiáng)度極高的局域光場(chǎng)。他們使用獨(dú)特顯微鏡，通過晶體表面上方的一根超細(xì)針尖掃描光場(chǎng)，能在寬度是人類頭發(fā)絲約千分之一的尺度上定位光強(qiáng)。
團(tuán)隊(duì)在拓?fù)洳▽?dǎo)末端看到光場(chǎng)明顯放大。有趣的是，這種情況僅在波導(dǎo)末端的“墻”以特定角度放置時(shí)才會(huì)發(fā)生，這證明光放大與后向反射的拓?fù)湟种朴嘘P(guān)。光放大集中在一個(gè)非常小的體積內(nèi)，小到與光線本身的波長(zhǎng)相當(dāng)。這種方法的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是其寬帶特性適用于多種不同的波長(zhǎng)。
這種拓?fù)渚劢箼C(jī)制具有普適性，理論上可推廣至聲波、電子波等其他波動(dòng)形式。
【總編輯圈點(diǎn)】
操控和利用光是現(xiàn)代通信的一個(gè)重要命題。此次，科研人員利用光子晶體的特殊性質(zhì)，在芯片上實(shí)現(xiàn)超小空間的光聚集。團(tuán)隊(duì)通過巧妙的設(shè)計(jì)和布局，讓光只能沿著特定路線移動(dòng)，還給光裝上了“防抖裝置”，并在光行進(jìn)路線的盡頭設(shè)置了“墻”，光因?yàn)闊o(wú)法通過而持續(xù)累積，形成高能能量場(chǎng)。該機(jī)制不僅適用于光波，也可推廣到聲波、電子波等其他形式。該技術(shù)為未來(lái)超緊湊、高性能光學(xué)芯片的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)，為光電子領(lǐng)域的發(fā)展開辟了新道路。
責(zé)任編輯：陸迪
