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          科研進展

          深圳先進院在光子納米噴流領域取得新進展

            

            近日,中國科學院深圳先進技術研究院(簡稱“深圳先進院”)醫工所傳感中心楊慧團隊在光子納米噴流領域取得新進展,相關研究成果以Inflection point: a perspective on photonic nanojets為題發表在光學與光子學領域高水平期刊Photonics Research(中科院一區TOP,IF=6.099)。深圳先進院顧國強助理研究員為論文第一作者,楊慧研究員為論文通訊作者。 

            光與透明微粒之間的相互作用,是一門逾兩千年之久且持續活躍在前沿科學領域的重要學科。很早的時候人們就發現沉積在葉子上的小水滴在陽光的照射下會引起葉片曬傷,強光直射的玻璃球能夠燃燒紙張,充滿水的透明球體對很小的字具有放大效果……對這些現象背后所蘊含的原理、規律的探究,閃耀著阿基米德、伊本·薩爾、開普勒、斯涅耳、笛卡爾、費馬、惠更斯、約翰·斯特拉特(瑞利勛爵)、古斯塔夫·米等著名科學家的名字。新千年伊始,源自光-微粒相互作用的“類噴流結構”場增強效應首先被發現,并于之后被科學家們命名為光子納米噴流(photonic nanojet, PNJ)。PNJ是弱衍射的非諧振光束,具有遠高于照射波的光強度、亞波長的橫向半高全寬和傳播至非倏勢場區域的性質,在超分辨成像、生化分析檢測、散射信號增強、納米尺度操控和精密微納加工等領域展現出巨大的應用價值。 

            對于由最廣泛使用的柱、球等圓形電介質微粒產生PNJs,有一個眾所周知但長期缺乏系統研究的基本規律:當照射光分別通過微粒入射界面的邊緣或中間部分時,光會在微粒出射界面的后部分別形成快速或緩慢兩種不同的會聚-發散模式。如何確定入射界面邊緣和中間部分區域之間的邊界點,是科學揭示和闡述這一規律的關鍵。團隊研究人員在前期工作的基礎上,開創性地認識到光會聚-發散的速度與出射光斜率變化的快慢有關,這恰好與數學當中自然對數所揭示的含義相同。通過對函數曲線的對數化和微分運算,得出凹凸變化曲線的“拐點”(inflection point)位置,這一位置正好是界定入射界面邊緣和中間區域的邊界點。在“拐點”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域形成長的PNJs和照射邊緣區域形成短的近場聚焦等特征光場,提出并展示了一種調制PNJs以及產生和調制彎曲PNJs的新方法,即通過調節邊緣和中間區域的入射光強度實現調制,無需對微粒本身的材料屬性和幾何形貌等做任何改變。 

            該研究工作得到了國家自然科學基金、廣東省、深圳市等科技項目的資助。 

            論文鏈接 

           

          研究模型示意圖及“拐點”位置獲取的分析演進圖 

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