构建由黑暗构成的坚固的光学结构
发布时间：2023-06-29 08:00:00 阅读数： 47
顶部：产生点状奇异点的元表面的扫描电子显微镜图像。底部：实验强度曲线，并标明点状奇点。资料来源：哈佛大学约翰-A-保尔森工程与应用科学学院
光学设备和材料使科学家和工程师能够利用光进行研究和现实世界的应用，如传感和显微镜。哈佛大学约翰-A-保尔森工程应用科学学院（SEAS）的Federico Capasso小组多年来一直致力于发明更强大、更复杂的光学方法和工具。现在，他的团队已经开发出了新的技术，利用元表面对黑暗点，而不是光，进行控制。
"电磁场中的黑暗区域，或光学奇点，由于其复杂的结构以及塑造和雕琢它们的难度，传统上构成了一种挑战。然而，这些奇点具有在遥感和精确测量等领域进行突破性应用的潜力，"卡帕索说，他是SEAS的罗伯特-华莱士应用物理学教授和文顿-海斯电子工程高级研究员，是描述这项工作的两篇新论文的高级通讯作者。
2011年，卡帕索的实验室推出了元表面，或亚波长间隔的纳米结构阵列。2016年，他们利用元表面建立了高性能的金属透镜--由他们利用半导体光刻技术制造的纳米柱组成的平面光学透镜--这开启了一种使用极轻设备聚焦光线的新策略。
卡帕索小组的最新研究--发表在《自然通讯》和《科学进展》上--报告了元表面技术如何不仅可以利用光，而且可以利用黑暗。
"自然通讯》上的论文第一作者Soon Wei Daniel Lim和Joon-Suh Park说："这两项研究都引入了新的光学奇点类别--设计的黑暗区域--使用强大而直观的算法来告知元表面的制造。
在该研究中，Lim和合作者设计并制造了一个包含二氧化钛纳米柱的元表面的光学设备，该设备可以控制光线以创造一系列的光学奇点。
为了准确控制这些黑暗点出现的位置，Lim使用了一种计算机算法来帮助他对元表面的设计进行反向工程。
"我告诉计算机： 他说："这是我想实现的暗点，告诉我这个元表面上的纳米柱子应该是什么形状和直径，以实现这个目标。
当光线穿过元表面和透镜时，它产生了一个规定的暗点阵列。
"Lim说："这些暗点是令人兴奋的，因为它们可以被用作光学陷阱来捕获原子。"这有可能被用来简化原子物理实验室使用的光学结构，用紧凑、轻便的光学设备取代今天的传统设备--在实验室桌子上占据30英尺空间的仪器。"
暗斑不仅仅是方便捕获原子。它们也可以作为成像的高度精确的参考位置而发挥作用。
"黑点比光点小得多，"Lim说。"作为成像系统的一部分，这使它们成为有效的测量点，以准确区分样品中的两个不同位置。"
在他们的《科学进展》论文中，卡帕索小组描述了一类新的光学奇点：偏振光场中极其稳定的黑暗点，被称为偏振奇点。
"论文第一作者Christina Spaegele说："我们设计的黑暗点可以承受广泛的扰动--它们在拓扑学上受到保护。"这种稳健性为各种应用中具有高可靠性和耐久性的光学设备开辟了道路。"
以前的研究实现了一些偏振奇异性，但是维持那个完美的黑暗点的条件极其脆弱，使它们很容易被杂散的光线或其他环境条件破坏。
"Spaegele说："通过将光照过一个特别设计的元表面和聚焦透镜，我们可以产生一个坚定不移的偏振奇点，周围完全是光点--基本上是在一个明亮的球体内创造一个暗点。
这项技术是如此强大，即使在元表面引入一个缺陷也不会破坏暗点，而只是改变其位置。
"Spaegele说："这种程度的控制对于在'恶劣'环境中的样品成像可能特别有用，在这种环境中，振动、压力、温度和杂散光通常会干扰成像行为。
该团队说，这些光学奇异点的新发展对遥感和秘密探测有影响。
"Capasso说："黑暗点可以用来在对场景进行成像时掩盖亮源，使我们能够看到在其他方面被掩盖的微弱物体。"放置在这些黑暗位置的物体或探测器也不会通过散射光泄露它们的位置，允许它们被'隐藏'而不影响周围的光线。"
参考资料
Christina M. Spaegele et al, Topologically protected optical polarization singularities in four-dimensional space, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh0369
Soon Wei Daniel Lim et al, Point singularity array with metasurfaces, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-39072-6
