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超快介观光学:追求时空极致之光

导读: 2015年是光和光基技术国际年,目前世界上科学家对于光学的研究正在向极致发展,其中就有超快介观光学。

  OFweek光学网讯:2015年是光和光基技术国际年,目前世界上科学家对于光学的研究正在向极致发展,其中就有超快介观光学。

  自科学诞生之日起,人类最先接触的研究对象就是宏观世界,伽利略、牛顿、爱因斯坦等科学家逐步认识到了宏观物体的运动规律。宏观层次研究的对象在尺度上没有上限,但有一下限即人的裸眼能够看见的最小物体。当显微镜出现后,科学家意识到物体中存在着更微小的成分,揭开了微观世界的面纱。微观层次研究的对象在尺度上的上限是分子和原子,其下限为最小的基本粒子即夸克。我们可以用牛顿力学和爱因斯坦的相对论来描述宏观体系,而用量子力学和粒子物理来描述微观体系,宏观体系和微观体系的研究,都已非常成熟。

李焱

        北京大学物理学院教授,博士生导师;北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室常务副主任;中国光学学会常务副秘书长

  然而,人类并未止步于对于宏观与微观两类“极端”的研究,一种介于宏观与微观之间的研究渐渐成为热门,这一领域被称为“介观”。

  上世纪80年代,人工微纳结构制备和探测技术的发展导致了介观物理研究的兴起。介观体系出现了许多既不同于宏观物体,也不同于微观体系的大量新奇物理现象,成为当代物理科学研究最为活跃的领域之一。1990年,北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室在建设之初就在国内率先开展了介观物理的实验和理论研究,介观光学就是其中的重要方向。

  突破光学衍射极限,进入介观

  在光学领域,要研究光波在远大于或远小于波长的系统中的传播,相对好处理。怕就怕当光波在相当于或较小于自身波长数量级的空间中传播,这时麻烦就来了,除了要考虑电磁波的相位特性外,其矢量特性以及多重散射效应都要考虑,这些因素导致了复杂而多样的现象,如光子带隙、负折射、超透射、表面等离激元、消逝波等等。这就是介观光学研究的范围。人工微结构和介观物理国家重点实验室学术委员会主任甘子钊院士为这门学科下的定义是:介观光学是空间尺度相当于光波波长或小于光波波长上的光学。实验室主任龚旗煌院士则从实验的角度如是说:“光在聚焦之后将变成一个小点,在常规光学系统中这个小点不可能小于波长的一半,这就是所谓的光学衍射极限,而介观光学就是利用各种新的方法使其聚焦或作用的点比衍射极限更小。”

  一般而言,只有波长在390纳米至760纳米范围内的光对人眼是可见的,波长小于390纳米的光还有紫外线和X光等,而波长大于760纳米的光还有红外线和太赫兹波等,可见光只占很窄的范围。对可见光而言,介观光学研究的空间尺度就是纳米量级,与纳米光学基本一致。“介观光学的研究范围按照光学波长来划分,避免了用长度描述物理过程,适用于各种波长下的研究,不至于在研究其他波段(如太赫兹波段)的介观光学过程时受到‘纳米’的限制。”北京大学物理学院教授李焱介绍说。

  人们在突破光学衍射极限的征途上已取得不少进展。2014年的诺贝尔化学奖颁给了三位物理学家,以表彰他们突破光学衍射极限使光学显微技术进入了纳米尺度。

  在此之前,常规光学显微镜的分辨率一直处于200纳米,即可见光中短波波长一半的瓶颈处,并在这个极限上停留了一个多世纪,原因就是无法突破光学衍射极限的问题。于是,有些人选择使用分辨率达到0.2纳米的电子显微镜,但是不利于研究活体生物样本。

  为了让光学显微镜的分辨能力更上一层楼,三位诺贝尔化学奖得主分别发挥各自的优势,终于突破光学衍射极限,让光学显微技术进入了纳米尺度。利用这样的光学显微镜,科学家们可以观测活细胞中不同分子的运动——他们能够看到脑部神经细胞间的突触是如何形成的,他们能够观察到与帕金森氏症、阿尔茨海默症和亨丁顿舞蹈症相关的蛋白聚集过程,他们也能够在受精卵分裂形成胚胎时追踪不同的蛋白质。

  研究高端,应用“接地气”

  介观光学的研究不断拓展人们对光的认识和操控能力,在光的产生、传输、转化、调控、探测和传感等方面具有诱人的应用前景。我国在介观光学与纳米光子学方向有较强的研究队伍,在对光子晶体、负折射现象、表面等离子体激元以及光学隐身等问题的新现象、新方法的探索方面有很好的积累。

  通过表面等离激元效应,光可以被局域在金属表面纳米范围内并极大增强,突破衍射极限实现纳米尺度的光信息传输与处理,使得它在超分辨率纳米光刻、高密度数据存储、近场光学、高灵敏生物检测、传感和新型光源等领域获得了广泛的应用。

  实现完美透镜也是介观光学渴望达到的极致。“光照射到自然界存在的物体上,都会在界面发生反射或者折射等现象,其中折射光和入射光总在界面法线的两侧。”李焱说。科学家们通过微纳技术研发了一种自然界并不存在的材料,光通过它的时候,产生的折射光线与入射光线却在法线的同一侧,这就是负折射现象。“如果用这种具有负折射率的材料制成透镜,从同一点出发的光线经过这种完美透镜后可以再次会聚到一点,实现理想成像。”李焱表示。

  为太阳能板穿上“介观外衣”可以增加光利用率。在目前应用的太阳能板中,部分太阳能板只能吸收某些波长范围的太阳光,其他波长的光则被“浪费”了。如果在太阳能板表面添加一层微纳米结构,那么太阳光中大部分波长的光都可以被吸收利用,同时极大减小界面反射,增加了太阳能的利用率。

  利用介观结构实现“光学隐身”的研究吸引了无数眼球。人眼在观察物体时,总是根据光的直线传播原理来反推物体的位置和形状,所以人眼也经常被“欺骗”,比如海市蜃楼,真正的物体并不在人眼“看见”的地方。“光经过物体后,光的方向和强度等会因为反射、折射、散射和吸收等发生变化,这样人类通过眼睛可以推测物体的存在。”李焱解释说,“而介观光学研究的‘隐身’就是通过某种特殊的材料构成特殊的结构,让光从‘隐身衣’表面滑过,当光离开隐身衣的时候,它的传播方向就和来时一样,而且光也没有损耗。对于外界的观察者来说,光线好像是沿直线传播过来的,就不能捕捉隐身衣和它里面的物体。”

  想在任何光环境下实现360度隐身,做起来并不容易。“首先要考虑材料问题,另外就是还要制备出大面积的结构。而且如果考虑让所有波长的光都看不到就是难上加难。比如躲避了可见光,但可能躲不开雷达电磁波或者红外线的照射。”李焱进一步说明。

  未来追求更小更快

  在北京大学的人工微结构和介观物理国家重点实验室中,科研人员正在让光子学元器件向着更小、更快“进化”。这些研究在未来的互联网、电脑、手机终端中将初现端倪。

  实际上,未来信息技术提出了超高带宽、超大容量、超低能耗、超快响应等要求,是下一代光信息、光显示、太阳能利用、光刻技术等应用所必须解决的关键内容。这些要求一方面必须依靠减小尺寸到微米纳米来实现,同时也必须研究微纳米尺度下的超快动力学过程。超快介观光学研究不仅揭示出新的物理现象和新规律,而且在许多方面都有重要的应用前景,形成当今科学与技术的重要前沿领域,也是产业应用的迫切需求。

  超快介观光学就是在时间和空间上都追求极致。“现在,实验室中有许多研究人员从事飞秒甚至阿秒光学。”李焱说。在时间单位中,秒并非最小的计时单位,在“秒”之下还有毫秒(10-3秒)、微秒(10-6秒)、纳秒(10-9秒)、皮秒(10-12秒)、飞秒(10-15秒)和阿秒(10-18秒)等。“光在一秒内可以跑30万公里,相当于绕地球7圈半。但是,光在1飞秒时间内行进的距离不到1微米,相当于把人的头发丝竖着劈成上百份后的长度。不难想象,飞秒和阿秒过程有多短,以至于没有现成的电子设备来计时。”李焱对记者解释说。

  上世纪90年代,艾哈迈德·泽维尔开创了“飞秒化学”的新领域,他运用飞秒激光光谱技术可以观察到原子合并为分子,分子再分裂为原子的过程。他因为“目睹分子的诞生和死亡”获得了1999年的诺贝尔化学奖。科学家们的追求总是“没有最快,只有更快”。利用阿秒脉冲,人们甚至可以追踪氢原子中电子绕核的超快运动。

  比如,光子晶体全光开关是介观光学应用重要的原型器件,实现其超快响应和低泵浦光功率是其实用化的关键。2009年,人工微结构和介观物理国家重点实验室就发表了关于“低功率光开关”的论文,将光开关泵浦光功率降低了4个量级,并同时达到了80%的高开关效率和1.2皮秒的超快开关时间。这项研究成果不仅促进了全光开关等介观光子学器件的实际应用,而且为非线性光学新材料的研究提供了新的途径。近年来,实验室科研人员又将工作波长推进到通讯波段,而且通过新型非线性材料大幅降低泵浦光功率。

  “光学元器件体积越来越小,响应时间也越来越短。未来,互联网速度就会更快。”李焱补充道,“不过,在时间和空间内追求光的极致,完全实用化还有一段距离,不仅是技术手段要更上一层楼,理论上也需要突破。”

责任编辑:John
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