科学家们开发出可以测量到纳米尺度的光学尺

新加坡南洋理工大学(新加坡南洋理工大学)的科学家开发出一种新的方法来测量纳米级的距离 - 一纳米是十亿分之一米的使用光。

使用光来观察物体的装置，例如显微镜，具有基于物理定律的基本限制，这是它们的分辨能力。

光学器件可以可靠地成像的最小距离等于所用光波长的一半，称为“衍射极限”。

因此，衍射极限高于400纳米，约为近红外光波长的一半。这比人发(100微米)的宽度小约250倍。

但是，由于科学家们有兴趣观察极小的物体，如病毒和纳米粒子，其粒径在10到100纳米之间，因此400纳米的光学分辨率是不够的。

目前，使用间接或非光学方法进行纳米级测量，例如扫描电子显微镜，这些方法并不总是可行的，可能是耗时的并且需要昂贵的设备来操作。

然而，NTU物理与数学科学学院的Nikolay Zheludev教授和袁光辉博士在“ 科学 ”杂志上发表的一项发现描述了一种新的光学方法，该方法可以测量纳米的位移 - 使用近红外光直接测量的最小距离。

他们的理论计算表明，基于这种方法的器件最终可以测量低至光波长1/4000的距离，大致相当于单个原子的大小。

他们的成就是使用100纳米厚的金色薄膜完成的，其中有超过10,000个微小的切口被切入其中以衍射激光并利用被称为“超振荡”的光学现象。

超振荡的概念首先出现在20世纪80年代，以色列物理学家亚基尔·阿哈罗诺夫的量子物理研究，随后被英国物理学家迈克尔·贝里扩展到光学和其他领域。当光波中的“亚波长”比光波本身振荡更快时，发生超振荡。

这个怎么运作

“我们的设备在概念上非常简单，”袁博士说，他是新加坡NTU光子学研究所的破坏性光子技术中心(CDPT)的博士后研究员。“它的工作原理是狭缝排列的精确图案。图案中有两种类型的狭缝，彼此成直角。当偏振激光照射金膜时，会产生极其干扰的图案。微小的特征，远小于光的波长。“

在这种偏振光从Zheludev和Yuan的装置散射之后，它产生两个交叉偏振光束：一个是包含快相位变化的超振荡“干涉图案”，另一个是用于检测超振荡场相位的参考波。

从该阶段开始，可以计算超振荡的梯度，或“局部波矢量”，其具有极窄的宽度(比衍射极限窄400倍)，因此可以用作高分辨率光学标尺。

NTU科学家必须克服的障碍是这些最微小的超级振荡不会出现在光波的振幅中，而是出现在它的相位中。为了绘制出光场的相位，科学家们不得不设计出一种特殊的技术，可以比较不同激光偏振态产生的强度。

“这种相敏技术是对先前使用超振荡进行光学测量的尝试的重大改进，”NTU光子学研究所联合主任Zheludev教授说。

“我们和其他人开发的早期方法使用了一类超强振荡对应强度的局部'热点'。热点的优点是它们易于检测。但如果目标是测量最短的可能的距离，相位超级振荡更适合，因为它们的尺寸更小。“

未来的应用

同时担任英国南安普顿大学光电子研究中心联合主任的Zheludev教授表示，他们的发现可能会在工业界得到应用：

“这种光学测量方法将来非常有用，例如电子产品的制造和质量控制，需要极其精确的光学测量，并监测纳米器件本身的完整性。”

展望未来，该团队的目标是使用光纤开发其设备的紧凑版本，并将该技术商业化为一种新型的超精密光学尺，这将有利于先进的制造工艺，如半导体制造和光电子器件，这是电信业的支柱。

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