深圳先進(jìn)院在光子納米噴流研究中取得進(jìn)展

發(fā)布：cyqdesign 2021-06-11 17:41 閱讀：1903

近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所傳感中心研究員楊慧團(tuán)隊(duì)在光子納米噴流領(lǐng)域取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果以Inflection point: a perspective on photonic nanojets為題，發(fā)表在Photonics Research上。深圳先進(jìn)院助理研究員顧國(guó)強(qiáng)為論文第一作者，楊慧為論文通訊作者。

光與透明微粒之間的相互作用是一門(mén)歷史悠久且持續(xù)活躍在前沿科學(xué)領(lǐng)域的重要學(xué)科。人們?cè)诤芫靡郧熬桶l(fā)現(xiàn)沉積在葉子上的小水滴在陽(yáng)光的照射下會(huì)引起葉片曬傷、強(qiáng)光直射的玻璃球能夠燃燒紙張、充滿水的透明球體對(duì)很小的字具有放大效果……這些現(xiàn)象背后所蘊(yùn)含的原理及探究的規(guī)律閃耀著阿基米德、伊本·薩爾、開(kāi)普勒、斯涅耳、笛卡爾、費(fèi)馬、惠更斯、約翰·斯特拉特（瑞利勛爵）、古斯塔夫·米等科學(xué)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(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，并于之后被學(xué)界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(yuǎn)高于照射波的光強(qiáng)度、亞波長(zhǎng)的橫向半高全寬和傳播至非倏勢(shì)場(chǎng)區(qū)域的性質(zhì)，在超分辨成像、生化分析檢測(cè)、散射信號(hào)增強(qiáng)、納米尺度操控和精密微納加工等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)于由最廣泛使用的柱、球等圓形電介質(zhì)微粒產(chǎn)生的PNJs存在一個(gè)眾所周知但長(zhǎng)期缺乏系統(tǒng)研究的基本規(guī)律：當(dāng)照射光分別通過(guò)微粒入射界面的邊緣或中間部分時(shí)，光會(huì)在微粒出射界面的后部分別形成快速或緩慢的兩種不同的會(huì)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(diǎn)，是科學(xué)揭示和闡述這一規(guī)律的關(guān)鍵。該研究中，研究人員在前期工作的基礎(chǔ)上，認(rèn)識(shí)到光會(huì)聚-發(fā)散的速度和出射光斜率變化的快慢有關(guān)，這恰好與數(shù)學(xué)當(dāng)中自然對(duì)數(shù)所揭示的含義相同。通過(guò)對(duì)函數(shù)曲線的對(duì)數(shù)化和微分運(yùn)算，研究人員得出凹凸變化曲線的“拐點(diǎn)”（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(diǎn)。在“拐點(diǎn)”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(zhǎng)的PNJs和照射邊緣區(qū)域形成短的近場(chǎng)聚焦等特征光場(chǎng)，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(guò)調(diào)節(jié)邊緣和中間區(qū)域的入射光強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)調(diào)制，無(wú)需對(duì)微粒本身的材料屬性和幾何形貌等做改變。

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