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中国南京大学发明:波导阵列传输光,突破光学显微镜成像能力

2020/6/24 10:27:48 来源:原创 浏览:

光学显微镜面临的挑战之一是不断提高成像能力或分辨率,在过去的三百多年里,科学家们一直在建造越来越好的显微镜。在很长一段时间里,极限只由两个因素决定:被观察对象的对比度,以及显微镜中光学元件的分辨率。特别是在过去的50年里,改善物体对比度和光学质量的技术出现了爆炸性增长。其中一项技术被称为超级透镜,超透镜利用了波的一些特性,能够分辨出原本看不见的细节。

现在,来自中国南京大学科学家发表了关于波导阵列的结果,这种阵列提供了超级透镜的许多好处。除此之外,波导阵列没有通常与超级透镜制造相关的技术困难。要理解超透镜,它有助于理解图像是如何形成的,从一些像大头针的东西开始,在一个平淡无奇的背景下,当光线照射在针脚上时,它会向四面八方散射。图像细节保持在光线散射的强度和方向上。

然而,镜片的尺寸有限,限制了捕捉的光量,从镜头捕捉到的光,重建的图像将不会有从未到达镜头光所携带的细节。对于最好的特征来说,镜头捕捉光线的角度是没有的,因为光线不会传播。取而代之的是,波迅速(指数级)消失,在几个波长内,强度非常接近于零。具有显微镜典型工作距离的透镜,不会捕捉到这些所谓的消逝波。研究设计了一种超级透镜来捕捉这些细节保持的消逝波。

要实现这一点,镜头必须由具有负折射率(正常材料具有正折射率)的超材料构建。然而,超材料不容易制造,性能也不好。击中超级透镜的大部分光线都是从它反射出来,而在内部,用来产生超材料的物质吸收了大量光。因此,镜头捕捉到了很好的细节,但图像对比度很差。南大研究的透镜由彼此放置得非常近的波导阵列组成,每个波导正好从波导开口前面捕获光线,用于重建图像。

波导量的控制

间距很小的波导不能传输图像,当波导靠得很近时,光从一个波导流向另一个波导。如果图像在密集的波导阵列中传输,则图像将完全随机化。为了绕过这个问题,研究人员利用了波导之间的耦合是如何工作的。在直平行波导中,阵列之间的耦合可以用一个固定正数来表示。这个数字给出了交换波导光的分数作为距离函数,然而,如果波导是平行的,但以波浪状的方式弯曲,那么耦合可能是负的。

更具体地说:想象两根紧靠在一起的直波导。光进入一个波导,并以耦合常数给定的速率传播到第二个波导。然后光线进入曲折,曲折的耦合系数大小相等,但为负值。这一部分精确地取消了扩散,因此所有的光,都从它进入的同一波导中出来。研究人员用13根波导阵列演示了这一效应。研究表明,尽管光在直段发生了严重的混合,但光始终会从它耦合到的波导中流出。

这只是故事的开始,通过扫描波导阵列可以建立图像,通过减小波导的孔径可以进一步提高分辨率。研究展示的结构还有其他用途,与电子系统相比,用于计算和通信的集成光学电路很大。间隔由控制相邻波导之间耦合的需要决定。这项研究展示了如何在没有无用耦合的情况下获得高密度波导,最终,这可能会发现比高分辨率成像更广泛的应用。

博科园|研究/来自:中国南京大学/SPIE

研究发表期刊《Advanced Photonics》

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