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中科大实现液体环境中无衍射表面光波

中国科学技术大学 中字

近日,中国科学技术大学物理学院光学与光学工程系、光电子科学与技术安徽省重点实验室明海、王沛教授领导的微纳光学与技术研究组成员张斗国副教授,与美国马里兰大学医学院J. R. Lakowicz教授、深圳大学纳米光子学研究中心袁小聪教授、林佼博士、杜路平博士,澳大利亚La Trobe University寇珊珊博士合作,生成了液体环境中的无衍射表面光波:该光波可在样品上方约半个波长 (约300nm)范围内,紧贴着表面传输110微米,同时保持束腰半径(约2 微米)不变,即无衍射传输,可以形象地比喻为一根细长扁平的”光针”(In-Plane Virtual Optical Probe)。研究成果以“Diffraction-Free Bloch Surface Waves” 为题,于5月15日在线发表在国际著名学术期刊ACS Nano。我校博士生王茹雪和王勇为共同第一作者,张斗国为通讯作者。

众所周知,衍射是电磁波(包含光波)的基本特性,在波的传播过程中,横向尺寸会越来越大,从而导致波的能量发散在整个空间,不利于信号的传输与耦合。近年来,随着微纳加工工艺与Plasmonics学科的快速发展,二维无衍射表面光束,如Plasmonic Airy Beam, Cosine-Gauss Plasmon Beam 被陆续实现。但这种基于金属结构Plasmonic效应的表面光波,存在损耗大、传播距离短的问题,特别是在可见光波段与液体环境中,因而限制了其应用。截至目前,鲜见液体中无衍射表面光束的报道,而液体环境是无衍射光束所瞄准的生物光子学中微纳操控、成像与传感等应用所不可或缺的条件之一。

基于此,研究组提出并实现了基于纯介质结构(由周期性多层介质薄膜组成)的无衍射布洛赫表面波(Diffraction-Free Bloch Surface Waves),如下图所示。该光束可存在于液体环境或空气界面。介质材料的本征损耗远小于金属,因而其传输损耗小。介质结构表面材料为常规玻璃,在玻璃衬底上做相关生物、化学修饰远易于在金属衬底,因而应用前景将会更为广泛。实验结果表明,传播路径上的障碍物不会破坏该表面光波的无衍射传输特性,即具有自修复功能。鉴于上述特性,该无衍射表面光波将会在表面化学、表面物理、片上光子集成器件和光学微纳操控、成像与传感等领域具有实际的应用前景。

该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省杰出青年基金等项目经费的支持。相关样品制作工艺得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心的仪器与技术支持。

无衍射布洛赫表面光波经过三个障碍物后,继续保持无衍射传输特性:不同传输距离处束腰半径不变

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