最近，来自立陶宛物理科学与技术中心的科研人员展示了一种利用飞秒激光烧蚀技术制备的专用硅衍射光学器件，能够产生艾里、贝塞尔和高斯形式的非傍轴太赫兹结构光束。与传统的傍轴方法不同，他们演示了无衍射艾里光束和无透镜非傍轴太赫兹艾里光束的产生，及其在成像系统中的应用。通过对单个物体和堆叠石墨烯的成像，他们揭示了该方法在检测二维材料方面的潜力，以及其优于传统高斯光照分辨率和对比度的优势。
高分辨率是成像领域的主要目标之一。在高数值孔径系统中，通常采用高斯光照来实现高分辨率。但是，高数值孔径需要庞大的成像系统，并且大尺寸的透镜和锥形棱镜会引起各种像差。解决这个问题很好的方法是使用平面光学元件，比如菲涅尔透镜和锥透镜，这是因为平面光学元件通过衍射能够减小元件的厚度和重量。另外一种方法是利用超表面的传播或几何相位。
结构电磁波是指振幅，相位或者偏振具有很强空间非均一性的电磁波。结构电磁波在光学研究和应用方面都占据着重要的地位，并被应用到通信、测量、光与物质相互作用等领域中。当无衍射光束引入的涡旋和偏振特性时，其适用性将被大大提高。无衍射光束家族与著名的贝塞尔光束有许多紧密的联系。椭圆马蒂厄光束、抛物线韦伯光束、皮尔斯光束和自加速艾里光束少为人熟知，但是它们被认为是无衍射光束家族中非常有前途的成员。随着无衍射电磁波束的快速发展，其已经被用于可见光到太赫兹波段。
由于光子学和纳米技术的革新，太赫兹电磁波不仅被应用在通信、光谱分析和成像系统等应用中，而且还被用作新概念演示的一种低成本且易于实现的实验平台。近年来，由于紧凑鲁棒的室温太赫兹光源的发展，以及太赫兹成像系统在实际操作中的便利性、小型化及低功耗等优点，太赫兹成像系统的尺寸有望被进一步优化缩小。并且硅作为一种非常有前途的材料，也被考虑集成到紧凑型太赫兹成像系统中。
在这篇文章中，研究人员首次演示了一种紧凑型非傍轴的解决方案，该方案完全基于平面硅基衍射光学，产生艾里光束形式的太赫兹结构光束。他们通过使用不透明的光束块对部分遮挡物体进行了太赫兹成像，演示了在傍轴条件下，使用一个透镜与一个立方相位或振幅掩模版的组合产生无衍射艾里光束，以及无透镜非傍轴的太赫兹艾里光束的产生。
图1 (a)设计的非傍轴艾里掩膜的空间分布及其横向截面；(b)制备的非傍轴艾里硅元件及其横截面的表面放大结构；(c)制备的具有二次相侧面及横截面的非傍轴硅板。
图2 数值计算与实验测试的非傍轴艾里光束的强度分布，S，A，ZP，D分别表示太赫兹光源，艾里相位掩模版，非傍轴波带片，太赫兹探测器；(a) 使用艾里相位掩模版的强度分布；(b) 只使用艾里透镜的强度分布。
他们的实验结果表明，这两种艾里光束的自加速特性都允许记录障碍物后物体的太赫兹像，以及单个物体的高质量太赫兹艾里图像。并且，他们的实验结果肯定了该方案对二维材料（如堆叠的石墨烯层）质量的检测能力，并建立了其与拉曼光谱数据的相关性。
图3 非傍轴太赫兹结构光照成像，被测样品由图中所示的不同层数的石墨烯组成。通过不同的透镜组合产生的太赫兹照明：(a)两个波带片；(b)一个艾里相位掩模版与两个波带片组合。(c)1-5层石墨烯的拉曼2D与G峰位置的相关性；(d)蓝/黄色点表示独立的石墨烯。
他们的结果不仅展示了设计的平面光器件的良好性能，预示了该器件在太赫兹结构光成像和二维材料质量检测方面的潜在应用，并且表明在太赫兹成像中，结构光在分辨率和对比度等指标上始终优于经典的高斯光束，从而允许其在相对复杂的探测场景中扩展适用性。
该文章发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》上，题目为“Terahertz structured light: nonparaxial Airy imaging using silicon diffractive optics”。
论文地址
https://www.nature.com/articles/s41377-022-01007-z
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
两江科技评论