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[交流] 物理学家实现在纳米尺度内对光的控制

作者：A L Narayan 文, 何安译
注释：Physicists control light at the nanoscale, Optics.org, Mar 19, 2007 (译文 1286字)
引用网址：http://www.qiji.cn/eprint/abs/3380.html
相关网址：http://optics.org/cws/article/research/27357

摘要/内容：
一项新的实验显示激光的场强分布能够被控制在比光波长还小得多的尺度范围内。

德国Bielefeld大学（Bielefeld University, Germany）的一位研究人员Walter Pfeiffer对optics.org的记者说：这是脉冲整形技术（pulse-shaping techniques）同近场光学（near-field optics）相结合在纳米尺度范围内整形光波所取得的首次成功。这一成功宣告了人类向纳米光子（nanophotonics）学迈进了一大步，因为它能够让激光成为灵活的工具在非常精细的尺度内对物质进行操作。
该实验的思想是在2002年，由美国乔治亚州立大学（Georgia State University）的理论物理学家Mark Stockman提出的，他认为脉冲整形在纳米光学中应该能够有重要的应用。这些脉冲整形技术一直被用来实现在光波长尺度范围（微米量级）内对空间和时间的控制。

Pfeiffer和德国Würzburg大学（the University of Würzburg, Germany）的Tobias Brixner以及西班牙马德里光研究所（the Instituto de Optica in Madrid, Spain）的Javier García de Abajo将Stockman的理论进一步拓展并发现偏振脉冲整形是完善在纳米尺度范围内时空控制技术的关键。偏振脉冲整形使控制光脉冲偏振态的瞬时变化成为可能。为了在实验室演示该效果，他们得到两位在光电子发射电子显微镜(photoemission electron microscopy，PEEM)方面专家的帮助，这两位专家分别来自Kaiserslautern大学（the University of Kaiserslautern）的Martin Aeschlimann和Kiel大学（the University of Kiel）的Michael Bauer。

在实验中，一束从Würzburg大学（the University of Würzburg）研制的偏振脉冲整形器中出来的飞秒激光源被用来在一个特别设计的纳米结构上激发790nm的标准脉冲（regular pulse）。该纳米结构是由嵌在一个铟锡氧化物（indium-tin oxide，ITO）薄片上的六个极小的银盘构成的，这些小银盘两个一组相邻排列成Y字形。小银盘直径为180nm，盘内部还有一个直径为10nm的内盘。整个纳米结构的跨度范围是800nm。
在该纳米结构中激发的激光会产生近场干涉效应，该效应能用于超精空间控制。Pfeiffer解释说：利用在远场两偏振分量间的相差，我们能够控制上述纳米结构周围光场的时空分布。

因为在远场偏振光的两偏振分量是正交偏振，而在纳米结构周围的由两偏振分量产生的近场不再是正交偏振，该非正交偏振就导致了相干现象的产生。Pfeiffer补充说：精确地控制飞秒激光脉冲的偏振态和近场干涉效应可为在亚波长尺度的空间控制提供一个灵活工具。

研究人员用双光子光电发射电子显微镜捕捉光脉冲横向场的图像，然后将图像输入自适应脉冲整形系统，通过该系统来精调脉冲参数直到获得需要的输出脉冲形状。

他们设计了实验来对比跨越两个不同纳米结构区域的光电发射场。作为证明该过程效率的方法，该研究组为得到最大化和最小化对比率进行了两个实验。在第一个实验中，他们使用自适应算法使上部区域（由Y型纳米结构上部的两臂组成）的光强最大化。在第二个实验中，他们使用同样的方法将光强聚焦在下部区域。

现在Pfeiffer想进一步推进该技术的应用范围，并且该研究组正致力于挑战时空同时控制这一难题。

该小组说：在纳米尺度内控制光的时空特性具有非常广泛的应用，例如：新的时空分辨光谱方法、在光镊中对纳米力学过程的操纵、在大分子聚合体中化学反应的控制以及量子计算的新方法。关于该实验的成果已向《自然》杂志提交，该实验的成功代表人类向实现这些诱人的应用迈出了第一步，同时它也可能极大地引起人们对超快纳米光学（ultrafast nano-optics）这一新兴领域的兴趣。

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