光聚焦新技术可形成高强度局域光场

科技日报北京4月22日电 （记者张佳欣）荷兰原子与分子物理研究所、代尔夫特理工大学和美国康奈尔大学的研究人员开发出一种革命性光聚焦技术，可将光束缚在与自身波长相当的极小空间内。该方法利用了光子晶体的特殊性质，适用波长范围更广，能形成极高强度的局域光场，可为光子芯片、量子通信等领域带来突破。相关论文发表于最新一期《科学进展》杂志。

传统光聚焦技术存在固有局限：光学谐振腔依赖特定波长共振，而透镜类波导仅适用于远大于波长的器件。此次，团队另辟蹊径，首次利用拓扑光子晶体的特殊性质破解难题。

团队使用的光子晶体，是由硅制成的薄片，上面刻有非常小的孔洞阵列。从原理上讲，这些孔洞会阻止光线在硅薄片中的传播。但将两片镜像对称的晶体并排放置时，它们的边界处就会形成一个波导，光线只能沿着边界移动。这种设计的特别之处在于，光线的传导是受拓扑保护的，这意味着晶体中的缺陷对光线的散射或反射被抑制了。

团队在波导末端设置了光线无法穿透的反射“墙”。由于拓扑保护机制，入射光被“困”在界面处持续累积，形成强度极高的局域光场。他们使用独特显微镜，通过晶体表面上方的一根超细针尖扫描光场，能在宽度是人类头发丝约千分之一的尺度上定位光强。

团队在拓扑波导末端看到光场明显放大。有趣的是，这种情况仅在波导末端的“墙”以特定角度放置时才会发生，这证明光放大与后向反射的拓扑抑制有关。光放大集中在一个非常小的体积内，小到与光线本身的波长相当。这种方法的一个主要优点是其宽带特性适用于多种不同的波长。

这种拓扑聚焦机制具有普适性，理论上可推广至声波、电子波等其他波动形式。

【总编辑圈点】

操控和利用光是现代通信的一个重要命题。此次，科研人员利用光子晶体的特殊性质，在芯片上实现超小空间的光聚集。团队通过巧妙的设计和布局，让光只能沿着特定路线移动，还给光装上了“防抖装置”，并在光行进路线的尽头设置了“墙”，光因为无法通过而持续累积，形成高能能量场。该机制不仅适用于光波，也可推广到声波、电子波等其他形式。该技术为未来超紧凑、高性能光学芯片的研发奠定了基础，为光电子领域的发展开辟了新道路。