讓每個鏡頭,都記錄精彩光學顯微鏡面臨的挑戰之一是不斷提高成像能力或分辨率，在過去的三百多年里，科學家們一直在建造越來越好的顯微鏡。在很長一段時間里，極限只由兩個因素決定：被觀察對象的對比度，以及顯微鏡中光學元件的分辨率。特別是在過去的50年里，改善物體對比度和光學質量的技術出現了爆炸性增長。其中一項技術被稱為超級透鏡，超透鏡利用了波的一些特性，能夠分辨出原本看不見的細節。
現在，來自中國南京大學科學家發表了關于波導陣列的結果，這種陣列提供了超級透鏡的許多好處。除此之外，波導陣列沒有通常與超級透鏡制造相關的技術困難。要理解超透鏡，它有助于理解圖像是如何形成的，從一些像大頭針的東西開始，在一個平淡無奇的背景下，當光線照射在針腳上時，它會向四面八方散射。圖像細節保持在光線散射的強度和方向上。
然而，鏡片的尺寸有限，限制了捕捉的光量，從鏡頭捕捉到的光，重建的圖像將不會有從未到達鏡頭光所攜帶的細節。對于最好的特征來說，鏡頭捕捉光線的角度是沒有的，因為光線不會傳播。取而代之的是，波迅速(指數級)消失，在幾個波長內，強度非常接近于零。具有顯微鏡典型工作距離的透鏡，不會捕捉到這些所謂的消逝波。研究設計了一種超級透鏡來捕捉這些細節保持的消逝波。
要實現這一點，鏡頭必須由具有負折射率(正常材料具有正折射率)的超材料構建。然而，超材料不容易制造，性能也不好。擊中超級透鏡的大部分光線都是從它反射出來，而在內部，用來產生超材料的物質吸收了大量光。因此，鏡頭捕捉到了很好的細節，但圖像對比度很差。南大研究的透鏡由彼此放置得非常近的波導陣列組成，每個波導正好從波導開口前面捕獲光線，用于重建圖像。
波導量的控制
間距很小的波導不能傳輸圖像，當波導靠得很近時，光從一個波導流向另一個波導。如果圖像在密集的波導陣列中傳輸，則圖像將完全隨機化。為了繞過這個問題，研究人員利用了波導之間的耦合是如何工作的。在直平行波導中，陣列之間的耦合可以用一個固定正數來表示。這個數字給出了交換波導光的分數作為距離函數，然而，如果波導是平行的，但以波浪狀的方式彎曲，那么耦合可能是負的。
更具體地說：想象兩根緊靠在一起的直波導。光進入一個波導，并以耦合常數給定的速率傳播到第二個波導。然后光線進入曲折，曲折的耦合系數大小相等，但為負值。這一部分精確地取消了擴散，因此所有的光，都從它進入的同一波導中出來。研究人員用13根波導陣列演示了這一效應。研究表明，盡管光在直段發生了嚴重的混合，但光始終會從它耦合到的波導中流出。
這只是故事的開始，通過掃描波導陣列可以建立圖像，通過減小波導的孔徑可以進一步提高分辨率。研究展示的結構還有其他用途，與電子系統相比，用于計算和通信的集成光學電路很大。間隔由控制相鄰波導之間耦合的需要決定。這項研究展示了如何在沒有無用耦合的情況下獲得高密度波導，最終，這可能會發現比高分辨率成像更廣泛的應用。
博科園｜研究/來自：中國南京大學/SPIE
研究發表期刊《Advanced Photonics》
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