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光學工程
中科大實現液體環境中無衍射表面光波

近日,中國科學技術大學物理學院光學與光學工程系、光電子科學與技術安徽省重點實驗室明海、王沛教授領導的微納光學與技術研究組成員張斗國副教授,與美國馬里蘭大學醫學院J. R. Lakowicz教授、深圳大學納米光子學研究中心袁小聰教授、林佼博士、杜路平博士,澳大利亞La Trobe University寇珊珊博士合作,生成了液體環境中的無衍射表面光波:該光波可在樣品上方約半個波長 (約300nm)范圍內,緊貼著表面傳輸110微米,同時保持束腰半徑(約2 微米)不變,即無衍射傳輸,可以形象地比喻為一根細長扁平的”光針”(In-Plane Virtual Optical Probe)。研究成果以“Diffraction-Free Bloch Surface Waves” 為題,于5月15日在線發表在國際著名學術期刊ACS Nano。我校博士生王茹雪和王勇為共同第一作者,張斗國為通訊作者。

眾所周知,衍射是電磁波(包含光波)的基本特性,在波的傳播過程中,橫向尺寸會越來越大,從而導致波的能量發散在整個空間,不利于信號的傳輸與耦合。近年來,隨著微納加工工藝與Plasmonics學科的快速發展,二維無衍射表面光束,如Plasmonic Airy Beam, Cosine-Gauss Plasmon Beam 被陸續實現。但這種基于金屬結構Plasmonic效應的表面光波,存在損耗大、傳播距離短的問題,特別是在可見光波段與液體環境中,因而限制了其應用。截至目前,鮮見液體中無衍射表面光束的報道,而液體環境是無衍射光束所瞄準的生物光子學中微納操控、成像與傳感等應用所不可或缺的條件之一。

基于此,研究組提出并實現了基于純介質結構(由周期性多層介質薄膜組成)的無衍射布洛赫表面波(Diffraction-Free Bloch Surface Waves),如下圖所示。該光束可存在于液體環境或空氣界面。介質材料的本征損耗遠小于金屬,因而其傳輸損耗小。介質結構表面材料為常規玻璃,在玻璃襯底上做相關生物、化學修飾遠易于在金屬襯底,因而應用前景將會更為廣泛。實驗結果表明,傳播路徑上的障礙物不會破壞該表面光波的無衍射傳輸特性,即具有自修復功能。鑒于上述特性,該無衍射表面光波將會在表面化學、表面物理、片上光子集成器件和光學微納操控、成像與傳感等領域具有實際的應用前景。

該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、安徽省杰出青年基金等項目經費的支持。相關樣品制作工藝得到了中國科學技術大學微納研究與制造中心的儀器與技術支持。

無衍射布洛赫表面光波經過三個障礙物后,繼續保持無衍射傳輸特性:不同傳輸距離處束腰半徑不變


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