「超振蕩」光學尺測距精度達到奈米級

摘要：研究人員表示，他們的研究成果主要涉及奈米級金薄膜的微狹縫雷射衍射和「超振蕩」光學現象。NTU物理與數學科學學院的Nikolay Zheludev教授和Guanghui Yuan博士的理論計算結果表明，利用基於近紅外光的設備可以測量光波長1/4000左右的距離——與原子尺寸近似。

光學尺的測量原理示意圖。

利用光來觀察物體的設備（如顯微鏡）會受到物理學定律的限制：即分辨力的限制。光學設備能夠可靠成像的最小距離等於所用光波長的一半，科學家稱之為「衍射極限」。現有光學設備的衍射極限大約為400奈米左右，是紅外光波長的一半。然而，研究人員感興趣的很多微觀物質（如病毒、奈米粒子等）的尺寸僅為10~100奈米，400奈米的光學分辨率是遠遠不夠的。目前，研究人員對奈米尺度的測量主要使用間接或非光學方法，如採用掃描電子顯微鏡觀察。但這並不總是可行的：這類方法比較耗時，設備也很昂貴。

phys.org網站9月5日報導，新加坡南洋理工大學（下文簡稱NTU）的科學家們開發了一種光學測量奈米級距離的新方法。相關研究成果刊登於《科學》雜誌。NTU物理與數學科學學院的Nikolay Zheludev教授和Guanghui Yuan博士的理論計算結果表明，利用基於近紅外光的設備可以測量光波長1/4000左右的距離——與原子尺寸近似。研究人員表示，他們的研究成果主要涉及奈米級金薄膜的微狹縫雷射衍射和「超振蕩」光學現象。超振蕩概念最早出現於20世紀80年代，以色列物理學家Yakir Aharonov在從事量子物理學研究時發現了這一現象。隨後，英國物理學家Michael Berry將其拓展到了光學等領域。當光波中的「亞波長」振蕩速度超過光波本身的振蕩速度時，就會產生超振蕩現象。

Yuan博士介紹說：「設備的原理其實並不複雜。讓它發揮作用的關鍵是精確的狹縫排列模式。金薄膜上包含兩種類型的狹縫，彼此構成直角。當偏振光照射到薄膜表面時，會產生包含微小特徵的干涉圖樣。」偏振光從裝置散射後，會產生兩束交叉偏振光：一束包含快速相位變化的超振蕩「干涉圖樣」，另一束是用於檢測超振蕩場相位的參考波。研究人員根據相位可以計算出超振蕩的梯度，它的寬度非常窄，甚至比衍射極限還窄400倍。因此，這可以用於高分辨率光學尺。研究人員必須克服的一個障礙是，這些細微超振蕩並不出現在光波振幅中，而是出現在相位中。為了繪制出光場相位圖，Yuan等設計了一種特殊方法，可以比較不同偏振狀態的雷射的光強度。Zheludev教授說：「這種相敏技術是對前期超振蕩光學測量技術的重大改進。雖然我們與前人應用了同一類超振蕩，但對於超短距離的測量而言，相位超振蕩更加適合。」

Zheludev教授認為，他們的發現有望用於工業領域。他說：「這種光學測量方法在未來將大放異彩。在電子產品的製造、質量控制和奈米設備完整性監控中，高精度的光學測量不可或缺。」接下來，Zheludev教授團隊的計劃是開發適用光纖的緊湊版本的光學尺，並探討其商業可行性。

科界原創

編譯：雷鑫宇

審稿：三水

責編：唐林芳

期刊來源：《科學》

期刊編號：0036-8075

原文鏈接：

https://phys.org/news/2019-09-scientists-optical-ruler-nanoscale.html

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