Science：“驯服”近场光

推广位（非商务）

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撰稿 | Eva

不管是傍晚夕阳西下时分的美丽的火烧云、还是夜幕下闪烁的星空，这些都是可见光为我们打造的世界，光的种类很多，可见光的光谱仅占电磁波的很小一部分，但是有种类型的光之所以不可见，仅仅是它们无法传播到我们的眼睛中，当光线照射到某些表面时，一部分光会停留在表面附近而没有被传输或者散射掉，我们称这种类型的光为近场光。

何为近场光？近场光是相对传统的远场光而言的，我们通常将距离物体表面一个波长以内的光称为近场光，所以通过探测近场光可以获得亚波长信息，近年来为了突破光学衍射极限的限制发展出的近场扫描光学显微镜使得近场光的研究获得了进一步的发展，探测近场光可实现纳米量级的分辨率，但是近场光在粒子操纵、近场传感、光通信、非辐射能量转移等方面的潜力尚未开发出来。

由于近场光无法像远场光那样进入我们的眼睛，所以此前研究人员尚未开发出能利用和“操控”近场光的工具。

怎么理解“操控”？哈佛大学工程与应用科学学院的客座教授Vincent Ginis说：”当今，我们有非常多的工具和技术来设计远场光的形貌，我们有各种透镜、望远镜、棱镜、全息图等等，所有这些东西使得我们可以操控在自由空间传输的光“，所以类似远场光的操控，近场光也可以通过各种工具实现对于光束的形貌进行操控。

近日，哈佛大学Federico Capasso（ 拓展链接1：人物介绍）领导研究团队在操控近场光方面取得了重要进展，研究人员开发出了一套模拟近场光的系统，从而叩开了远程操控这种应用潜力巨大类型光的大门。研究成果以“Remote structuring of near-field landscapes”为题发表在Science。

作者是：Vincent Ginis, Marco Piccardo, Michele Tamagnone, Jinsheng Lu, Min Qiu, Simon Kheifets, Federico Capasso.

图1：三个设备近场空频域的实验图和理论图

图源：Science 24 Jul 2020: Vol. 369, Issue 6502, pp. 436-440 (Fig. 4)

传统的构造上述光场的技术主要是基于经典天线理论的观点，其中电介质或等离子体散射体将传播的波转换成局部的近场辐射图像。而文章的研究人员的技术背后的核心思想是基于许多具有不同传播常数的方向传播的导波的干涉来构造近场光。

实验方面研究人员搭建了近场扫描微波显微镜，主要包括四个部分，频率合成器、微波传输带、安装在电动平台上的扫描探针、以及频谱分析仪。

图2 搭建近场扫描微波显微镜

图源：Science 24 Jul 2020: Vol. 369, Issue 6502, pp. 436-440 （Supplementary Materials）

其中微波传输带由两个模式转换器组成，一种导模从一侧进入，在另一侧与模式转换器交互。此过程会生成不同的反向传播模式，然后与最左边的模式转换器交互。新生成的模式与模式转换器之间的级联交互形成许多导波的干涉总和，从而完成了一种远程而不是局部的近场调控理论方案。

图3 使用转换器的远程近场调控

图源：Science 24 Jul 2020: Vol. 369, Issue 6502, pp. 436-440 (Fig. 1)

分析表明，与标准傅立叶级数相似，许多空间轮廓可以通过余弦的总和近似地表示。这些空间轮廓可以在波导上方区域中实现，在距离界面较远的距离处，强度将呈指数下降。

利用仅有的几种模式就可以生成丰富的近场轮廓，正如冯·诺依曼曾说：“给我四个参数我就能设计一头大象的形貌，五个参数就能扭动它的躯干”，（ 拓展链接2：体验如何用四个参量绘制一头大象？），研究人员证实确实能有可能仅使用四种模式来设计形状像大象形状的近场轮廓。

图4 设计大象形状的近场光轮廓

图源：Harvard SEAS

除了设计沿传播方向的纵向近场轮廓以外，理论还可构造横向近场轮廓，即在垂直于界面的方向上。并通过实验证实了理论。

图5 测量近场景观

图源：Science 24 Jul 2020: Vol. 369, Issue 6502, pp. 436-440 (Fig. 4)

研究人员突破性的通过引入级联模式转换的概念，实现了远程控制近场，并且在结构上取消了传统的天线，所以在设计上有很大的自由度，例如可以实现近场的非单调变化，仅通过几个自由参量就可以实现任意的操纵近场的纵向和横向变化。

像电磁学中的许多其他方法一样，这种的技术可以实现在物理学中对不同波的操纵。推进了粒子操控、高分辨率显微镜、通信等领域的发展。

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文章信息

Science 24 Jul 2020: Vol. 369, Issue 6502, pp. 436-440

DOI: 10.1126/science.abb6406

论文网址

https://science.sciencemag.org/content/369/6502/436

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☞ 本文编辑：赵阳☞ 来源：中科院长春光机所Light学术出版中心声明：本文所用视频、图片、文字如涉及版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除.邮箱：[e-mail]
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