近日，中科大光學(xué)與光學(xué)工程系光電子科學(xué)與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室明海、王沛教授領(lǐng)導(dǎo)的微納光學(xué)與技術(shù)研究組成員張斗國副教授，與美國馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院J. R. Lakowicz教授、深圳大學(xué)納米光子學(xué)研究中心袁小聰教授、林佼博士、杜路平博士，澳大利亞La Trobe University寇珊珊博士合作，生成了液體環(huán)境中的無衍射表面光波：該光波可在樣品上方約半個(gè)波長 （約300nm）范圍內(nèi)，緊貼著表面?zhèn)鬏?10微米，同時(shí)保持束腰半徑（約2 微米）不變，即無衍射傳輸，可以形象地比喻為一根細(xì)長扁平的”光針”（In-Plane Virtual Optical Probe）。研究成果以“Diffraction-Free Bloch Surface Waves” 為題，于5月15日在線發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊ACS Nano。我校博士生王茹雪和王勇為共同第一作者，張斗國為通訊作者。
眾所周知，衍射是電磁波（包含光波）的基本特性，在波的傳播過程中，橫向尺寸會(huì)越來越大，從而導(dǎo)致波的能量發(fā)散在整個(gè)空間，不利于信號(hào)的傳輸與耦合。近年來，隨著微納加工工藝與Plasmonics學(xué)科的快速發(fā)展，二維無衍射表面光束，如Plasmonic Airy Beam, Cosine-Gauss Plasmon Beam 被陸續(xù)實(shí)現(xiàn)。但這種基于金屬結(jié)構(gòu)Plasmonic效應(yīng)的表面光波，存在損耗大、傳播距離短的問題，特別是在可見光波段與液體環(huán)境中，因而限制了其應(yīng)用。截至目前，鮮見液體中無衍射表面光束的報(bào)道，而液體環(huán)境是無衍射光束所瞄準(zhǔn)的生物光子學(xué)中微納操控、成像與傳感等應(yīng)用所不可或缺的條件之一。
基于此，研究組提出并實(shí)現(xiàn)了基于純介質(zhì)結(jié)構(gòu)（由周期性多層介質(zhì)薄膜組成）的無衍射布洛赫表面波（Diffraction-Free Bloch Surface Waves），如下圖所示。該光束可存在于液體環(huán)境或空氣界面。介質(zhì)材料的本征損耗遠(yuǎn)小于金屬，因而其傳輸損耗小。介質(zhì)結(jié)構(gòu)表面材料為常規(guī)玻璃，在玻璃襯底上做相關(guān)生物、化學(xué)修飾遠(yuǎn)易于在金屬襯底，因而應(yīng)用前景將會(huì)更為廣泛。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳播路徑上的障礙物不會(huì)破壞該表面光波的無衍射傳輸特性，即具有自修復(fù)功能。鑒于上述特性，該無衍射表面光波將會(huì)在表面化學(xué)、表面物理、片上光子集成器件和光學(xué)微納操控、成像與傳感等領(lǐng)域具有實(shí)際的應(yīng)用前景。
該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、安徽省杰出青年基金等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支持。相關(guān)樣品制作工藝得到了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心的儀器與技術(shù)支持。
論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.7b02358
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