将光聚焦在小至波长本身的体积内是一项挑战，但这对众多应用至关重要。近日，来自荷兰原子与分子物理研究所（AMOLF）、代尔夫特理工大学（TUDelft）以及美国康奈尔大学的研究人员展示了一种在极小尺度上聚焦光的新方法。该方法利用了光子晶体的特殊性质，并且比其他方法适用于更宽的波长范围。这项研究已在Science Advances杂志上发表。
聚焦光对于光子芯片上的各种技术应用非常重要，如量子通信、光学传感器和片上激光器等。“到目前为止，我们知道两种聚焦光的通用策略：一种是使用光学腔，另一种是使用像漏斗一样压缩光的波导，”AMOLF研究小组负责人EwoldVerhagen说。“第一种方法利用共振原理，这将光的聚焦或集中限制在特定波长上。第二种方法原理类似于传统透镜，仅适用于比所使用光的波长大得多的器件设备。”
阻挡光线
由GennadyShvets领导的康奈尔大学研究人员提出的一个理论设想，指向了博士生Daniel Muis及其同事首次展示的新方法。该方法的一个重要方面是物理系统的所谓拓扑结构。
Muis解释说：“我们使用光子晶体，它们是带有规则排列小孔图案的硅片，原则上会阻挡光在硅片中传播。但是，当我们将两块具有镜像图案的这种光子晶体并排放置时，会在它们的边界处形成一个波导；光只能沿着边界传播。这种设计的特别之处在于，光的传导具有‘拓扑保护’，这意味着晶体中的缺陷对光的散射或反射会受到抑制。”
研究人员想知道，如果用一种光无法穿透的“墙”突然终止这样一个波导会发生什么。“由于光无处可去，并且反射又受到抑制，它应该会在那堵墙前积累起来，”Muis说。“光最终确实会通过波导反射回来，但会有一定的延迟。这就会导致光场在局部得到增强。”
来源：AMOLF
光的聚集
AMOLF的Verhagen团队和代尔夫特理工大学的Kobus Kuipers团队决定与康奈尔大学的研究人员一起通过实验验证这一预测。拓扑波导是在AMOLF的硅芯片上制造的。为了可视化光子晶体内光的预期积聚情况，Muis在代尔夫特理工大学使用了一种独特的显微镜，该显微镜通过晶体表面上方的一根超薄针来扫描光场。这种显微镜能够在比人类头发丝厚度小约1000倍的尺度上定位光强。
“我们确实在拓扑波导的末端看到了光场的明显增强。有趣的是，这种情况只在终止波导的‘墙’以特定角度放置时才会发生。这与我们康奈尔大学的合作伙伴的预测完全一致，”Muis说。“这也证明了光的增强与拓扑抑制背反射有关。光的增强集中在一个非常小的体积内，小至光的波长本身。这种方法的一个主要优点是它本质上是宽带的：它适用于多种不同的波长。”
该研究被视作为在芯片上进一步研究或应用这种光增强形式的指南。所展示的机制也应该适用于结构化介质中的任何其他类型的波，包括声波，甚至特定晶体中的电子波。
Muis补充，“下一步，使用脉冲激光来研究光持续积聚的时间间隔会很有趣，看看能将光场增强到什么程度，并将其应用于光学芯片上的光操控。”
来源：phys.org
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