突破光學(xué)顯微鏡成像能力，中國(guó)南京大學(xué)發(fā)明：波導(dǎo)陣列傳輸光！

光學(xué)顯微鏡面臨的挑戰(zhàn)之一是不斷提高成像能力或分辨率，在過(guò)去的三百多年里，科學(xué)家們一直在建造越來(lái)越好的顯微鏡。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，極限只由兩個(gè)因素決定：被觀察對(duì)象的對(duì)比度，以及顯微鏡中光學(xué)元件的分辨率。特別是在過(guò)去的50年里，改善物體對(duì)比度和光學(xué)質(zhì)量的技術(shù)出現(xiàn)了爆炸性增長(zhǎng)。其中一項(xiàng)技術(shù)被稱(chēng)為超級(jí)透鏡，超透鏡利用了波的一些特性，能夠分辨出原本看不見(jiàn)的細(xì)節(jié)。

現(xiàn)在，來(lái)自中國(guó)南京大學(xué)科學(xué)家發(fā)表了關(guān)于波導(dǎo)陣列的結(jié)果，這種陣列提供了超級(jí)透鏡的許多好處。除此之外，波導(dǎo)陣列沒(méi)有通常與超級(jí)透鏡制造相關(guān)的技術(shù)困難。要理解超透鏡，它有助于理解圖像是如何形成的，從一些像大頭針的東西開(kāi)始，在一個(gè)平淡無(wú)奇的背景下，當(dāng)光線照射在針腳上時(shí)，它會(huì)向四面八方散射。圖像細(xì)節(jié)保持在光線散射的強(qiáng)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(huì)有從未到達(dá)鏡頭光所攜帶的細(xì)節(jié)。對(duì)于最好的特征來(lái)說(shuō)，鏡頭捕捉光線的角度是沒(méi)有的，因?yàn)楣饩€不會(huì)傳播。取而代之的是，波迅速(指數(shù)級(jí))消失，在幾個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)，強(qiáng)度非常接近于零。具有顯微鏡典型工作距離的透鏡，不會(huì)捕捉到這些所謂的消逝波。研究設(shè)計(jì)了一種超級(jí)透鏡來(lái)捕捉這些細(xì)節(jié)保持的消逝波。

要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，鏡頭必須由具有負(fù)折射率(正常材料具有正折射率)的超材料構(gòu)建。然而，超材料不容易制造，性能也不好。擊中超級(jí)透鏡的大部分光線都是從它反射出來(lái)，而在內(nèi)部，用來(lái)產(chǎn)生超材料的物質(zhì)吸收了大量光。因此，鏡頭捕捉到了很好的細(xì)節(jié)，但圖像對(duì)比度很差。南大研究的透鏡由彼此放置得非常近的波導(dǎo)陣列組成，每個(gè)波導(dǎo)正好從波導(dǎo)開(kāi)口前面捕獲光線，用于重建圖像。

波導(dǎo)量的控制

間距很小的波導(dǎo)不能傳輸圖像，當(dāng)波導(dǎo)靠得很近時(shí)，光從一個(gè)波導(dǎo)流向另一個(gè)波導(dǎo)。如果圖像在密集的波導(dǎo)陣列中傳輸，則圖像將完全隨機(jī)化。為了繞過(guò)這個(gè)問(wèn)題，研究人員利用了波導(dǎo)之間的耦合是如何工作的。在直平行波導(dǎo)中，陣列之間的耦合可以用一個(gè)固定正數(shù)來(lái)表示。這個(gè)數(shù)字給出了交換波導(dǎo)光的分?jǐn)?shù)作為距離函數(shù)，然而，如果波導(dǎo)是平行的，但以波浪狀的方式彎曲，那么耦合可能是負(fù)的。

更具體地說(shuō)：想象兩根緊靠在一起的直波導(dǎo)。光進(jìn)入一個(gè)波導(dǎo)，并以耦合常數(shù)給定的速率傳播到第二個(gè)波導(dǎo)。然后光線進(jìn)入曲折，曲折的耦合系數(shù)大小相等，但為負(fù)值。這一部分精確地取消了擴(kuò)散，因此所有的光，都從它進(jìn)入的同一波導(dǎo)中出來(lái)。研究人員用13根波導(dǎo)陣列演示了這一效應(yīng)。研究表明，盡管光在直段發(fā)生了嚴(yán)重的混合，但光始終會(huì)從它耦合到的波導(dǎo)中流出。

這只是故事的開(kāi)始，通過(guò)掃描波導(dǎo)陣列可以建立圖像，通過(guò)減小波導(dǎo)的孔徑可以進(jìn)一步提高分辨率。研究展示的結(jié)構(gòu)還有其他用途，與電子系統(tǒng)相比，用于計(jì)算和通信的集成光學(xué)電路很大。間隔由控制相鄰波導(dǎo)之間耦合的需要決定。這項(xiàng)研究展示了如何在沒(méi)有無(wú)用耦合的情況下獲得高密度波導(dǎo)，最終，這可能會(huì)發(fā)現(xiàn)比高分辨率成像更廣泛的應(yīng)用。

博科園｜www.bokeyuan.net

博科園｜研究/來(lái)自：中國(guó)南京大學(xué)/SPIE

研究發(fā)表期刊《Advanced Photonics》

DOI: 10.1117/1.AP.2.3.036001

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普

關(guān)注【博科園】看更多大美宇宙科學(xué)