近日,中國科學院深圳先進技術(shù)研究院(簡稱“深圳先進院”)醫(yī)工所傳感中心楊慧團隊在光子納米噴流領域取得新進展,相關(guān)研究成果以Inflection point: a perspective on photonic nanojets為題發(fā)表在光學與光子學領域高水平期刊Photonics Research(中科院一區(qū)TOP,IF=6.099)。深圳先進院顧國強助理研究員為論文第一作者,楊慧研究員為論文通訊作者。
光與透明微粒之間的相互作用,是一門逾兩千年之久且持續(xù)活躍在前沿科學領域的重要學科。很早的時候人們就發(fā)現(xiàn)沉積在葉子上的小水滴在陽光的照射下會引起葉片曬傷,強光直射的玻璃球能夠燃燒紙張,充滿水的透明球體對很小的字具有放大效果……對這些現(xiàn)象背后所蘊含的原理、規(guī)律的探究,閃耀著阿基米德、伊本·薩爾、開普勒、斯涅耳、笛卡爾、費馬、惠更斯、約翰·斯特拉特(瑞利勛爵)、古斯塔夫·米等著名科學家的名字。新千年伊始,源自光-微粒相互作用的“類噴流結(jié)構(gòu)”場增強效應首先被發(fā)現(xiàn),并于之后被科學家們命名為光子納米噴流(photonic nanojet, PNJ)。PNJ是弱衍射的非諧振光束,具有遠高于照射波的光強度、亞波長的橫向半高全寬和傳播至非倏勢場區(qū)域的性質(zhì),在超分辨成像、生化分析檢測、散射信號增強、納米尺度操控和精密微納加工等領域展現(xiàn)出巨大的應用價值。
對于由最廣泛使用的柱、球等圓形電介質(zhì)微粒產(chǎn)生PNJs,有一個眾所周知但長期缺乏系統(tǒng)研究的基本規(guī)律:當照射光分別通過微粒入射界面的邊緣或中間部分時,光會在微粒出射界面的后部分別形成快速或緩慢兩種不同的會聚-發(fā)散模式。如何確定入射界面邊緣和中間部分區(qū)域之間的邊界點,是科學揭示和闡述這一規(guī)律的關(guān)鍵。團隊研究人員在前期工作的基礎上,開創(chuàng)性地認識到光會聚-發(fā)散的速度與出射光斜率變化的快慢有關(guān),這恰好與數(shù)學當中自然對數(shù)所揭示的含義相同。通過對函數(shù)曲線的對數(shù)化和微分運算,得出凹凸變化曲線的“拐點”(inflection point)位置,這一位置正好是界定入射界面邊緣和中間區(qū)域的邊界點。在“拐點”視角下,研究人員重新審視和分析了光照射微粒入射界面中間區(qū)域形成長的PNJs和照射邊緣區(qū)域形成短的近場聚焦等特征光場,提出并展示了一種調(diào)制PNJs以及產(chǎn)生和調(diào)制彎曲PNJs的新方法,即通過調(diào)節(jié)邊緣和中間區(qū)域的入射光強度實現(xiàn)調(diào)制,無需對微粒本身的材料屬性和幾何形貌等做任何改變。
該研究工作得到了國家自然科學基金、廣東省、深圳市等科技項目的資助。
研究模型示意圖及“拐點”位置獲取的分析演進圖
新聞鏈接:http://www.siat.ac.cn/kyjz2016/202106/t20210609_6081585.html
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