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，在過去的三百多年里，科學(xué)家們一直在建造越來越好的顯微鏡。在很長一段時間里，極限只由兩個因素決定：被觀察對象的對比度，以及顯微鏡中光學(xué)元件的分辨率。

特別是在過去的50年里，改善物體對比度和光學(xué)質(zhì)量的技術(shù)出現(xiàn)了爆炸性增長。其中一項技術(shù)被稱為超級透鏡，超透鏡利用了波的一些特性，能夠分辨出原本看不見的細(xì)節(jié)。

現(xiàn)在，來自中國南京大學(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透鏡的許多好處。除此之外，波導(dǎo)陣列沒有通常與超級透鏡制造相關(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始，在一個平淡無奇的背景下，當(dāng)光線照射在針腳上時，它會向四面八方散射。圖像細(xì)節(jié)保持在光線散射的強度和方向上。

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，重建的圖像將不會有從未到達(dá)鏡頭光所攜帶的細(xì)節(jié)。對于最好的特征來說，鏡頭捕捉光線的角度是沒有的，因為光線不會傳播。取而代之的是，波迅速(指數(shù)級)消失，在幾個波長內(nèi)，強度非常接近于零。具有顯微鏡典型工作距離的透鏡，不會捕捉到這些所謂的消逝波。研究設(shè)計了一種超級透鏡來捕捉這些細(xì)節(jié)保持的消逝波。

要實現(xiàn)這一點，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。擊中超級透鏡的大部分光線都是從它反射出來，而在內(nèi)部，用來產(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，每個波導(dǎo)正好從波導(dǎo)開口前面捕獲光線，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，光從一個波導(dǎo)流向另一個波導(dǎo)。如果圖像在密集的波導(dǎo)陣列中傳輸，則圖像將完全隨機化。為了繞過這個問題，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固定正數(shù)來表示。這個數(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：想象兩根緊靠在一起的直波導(dǎo)。光進(jìn)入一個波導(dǎo)，并以耦合常數(shù)給定的速率傳播到第二個波導(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散，因此所有的光，都從它進(jìn)入的同一波導(dǎo)中出來。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，但光始終會從它耦合到的波導(dǎo)中流出。

這只是故事的開始，通過掃描波導(dǎo)陣列可以建立圖像，通過減小波導(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。這項研究展示了如何在沒有無用耦合的情況下獲得高密度波導(dǎo)，最終，這可能會發(fā)現(xiàn)比高分辨率成像更廣泛的應(yīng)用。

博科園｜研究/來自：中國南京大學(xué)/SPIE

研究發(fā)表期刊《Advanced Photonics》

DOI: 10.1117/1.AP.2.3.036001

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