实验观察了介质长方体输出端产生的一类近场弯曲光场。预计它将在成像和操作方面具有有趣的应用。向任何一个光学专业学生灌输的一个核心原则是光沿直线传播。然而，在过去的15年里，已经开发出了许多方法，可以创造出能够在弯曲轨道上传播的结构光束。现在，Igor Minin和来自俄罗斯、英国和美国的合作者在应用物理学快报上撰文称，通过一块简单的呈楔形立方体形状的介电材料板传播后，电磁场传播轨迹可以形成曲线（图1）。他们已经证明，在被称为“光子钩”的介质结构的出口处产生的太赫兹辐射的微小弯曲射流，其横向尺寸和曲率半径都是光波长的一小部分。这些钩子有望在光学成像和操纵中得到应用。

图1：输出端产生光钩的电介质长方体的三维描述。

在过去的几十年里，科学家们对波包的传播非常着迷，无论是对于粒子还是对于光场。这些不同的波包彼此有相当多的共同点。在量子力学领域，以英国天文学家乔治·比德尔·艾里（George Biddell Airy）命名的艾里波包（Airy wavepacket）被认为是不扩散的(“无衍射”)，具有横向于光束传播方向的加速度。在量子力学中避免这种扩散与避免或绕过光域中的衍射(扩散)有对应关系，从而得到近轴波动方程的解，如艾里光束，甚至可以推广到麦克斯韦方程的加速光束解。我们如何才能将这与光沿直线运动的概念协调起来呢？在光学中，光场可以被分解成平面波的叠加，这种叠加（干涉）具有的有趣特性可以影响光场传播的方式，特定的叠加可以显示空间弯曲的效果，似乎违背了我们关于光直线传播的概念。

这种艾里光束看起来像一个沿着曲线轨迹的一维或二维图案。传播不变的光束轮廓还具有不可思议的自愈特性，使得光束可以在障碍物周围重新形成。这些弯曲的光场继续从一个基本的角度挑战物理学家，但重要的是，它们正在一系列重要的应用领域取得重大进展，包括成像、非线性光学和操纵。光束可以在不寻常的弯曲轨迹上传输粒子，光束轮廓的不对称、传播不变性对在芯片实验室环境中成像特别有利。这种弯曲的光场通常是用静态相位板或动态衍射装置产生的，但现在已经过渡到在集成设备中产生这种光场的几何图形。等离子体和其他结构也被使用。然而，在Minin及其同事的工作中，采用了一种完全不同的方法，增加了新发现的简单程度，并允许在电介质结构的输出端产生这样的弯曲光场。此外，该方法还实现了最小束腰为0.44λ的电磁场，代表了任意电磁束的最小曲率半径。

大约15年前，“光子纳米射流”(photonic nanojet)一词是为平面波入射到介质柱上时产生的亚波长光聚焦而创造的。这些纳米射流的束腰小于衍射极限，并且在几个光学波长上传播而没有明显的衍射。这种纳米射流在分子水平的高分辨率成像等领域有着广阔的前景。直到最近，这种纳米射流还只是从对称介电物体的角度来考虑，产生的射流呈现出典型的线性特征。2015年，这个故事出现了一个新的转折: 利用数值方法研究了介质颗粒对称性破坏后的场局部化现象，提出了一种弯曲的纳米射流（或称光钩）。现在，当使用一个由添加到长方体正面的三角棱镜组成的介质结构时，Minin和他的同事们已经模拟了光场的产生。这就造成了所需对称性的适当破坏，并允许随后的场的“聚焦”显示出光在输出端的特性弯曲。Minin和他的同事用0.25-THz连续波源和一块5毫米长的聚甲基戊烯介电板对光钩进行了实验验证。虽然结构光场的许多应用已经在光谱的可见部分，但在这个波长范围内生成一个光钩具有许多挑战性。这包括任何微米级粒子所需的精密加工，以及在这部分电磁频谱中进行亚波长成像的挑战。为了解决这些问题，Minin和他的同事们已经转向太赫兹系统，首次证明了这一有趣现象的概念。提高了对精度的严格要求，使得研究人员能够通过铣削加工出所需的非对称长方体。在这种结构中产生光子钩的原因是什么？答案在于考虑到波的相速度的色散，从而产生干涉。波形振荡的完整相位周期的时间是不规则的，这是导致输出钩状弯曲的主要原因。通过改变波长、入射光偏振度和所述长方体自身的规格参数，可以调整光钩的形状和曲率半径。由不同折射率的电介质产生的弯钩甚至可以看到在相反的方向上弯曲。这种灵活性有可能扩大这种方法的未来应用。

由于太赫兹辐射产生的光钩的尺寸是毫米大小的，因此可以用基于光纤的扫描探针成像来探测这种不对称长方体的输出场。这是通过测量通过直径为亚毫米的光纤收集的光来实现的，因为它在电介质出口以三维方式移动。有趣的是，光钩具有一些惊人的特性，包括比波长小的曲率半径。这种亚波长性质也扩展到光钩的横向尺寸。自由空间艾里光束可以提供比高斯光束更高的聚焦深度，这些光钩也可以为成像带来类似的优势。此外，加速光场使粒子在弯曲轨迹上移动，导致细胞在相邻的微流控井之间重新分布。光钩可以以一种更简单、更集成的方式实现同样的功能，并可能为细胞内的纳米颗粒打开操操纵的大门。Minin及其同事报告的这一进展的一个重要属性是这种生成方法与实验室芯片微流体的兼容性。为了更详细地了解这些光钩，还需要进一步的工作。尽管曲线轮廓与艾里光束相似，但与艾里光束相比，没有弯曲的旁瓣。问题是这些光钩是否表现出自愈性。重要的是，这个演示是在太赫兹辐射下进行的，以简化电介质的加工和光钩的检测，而许多应用需要在可见或近红外光谱区域使用挂钩。我们如何才能以同样简单的方式实现这一点？光钩的概念超出光学范围进入声学，表面或粒子波也值得考虑。无论从哪种角度看，这种结构光束的优雅例子加深了我们对光传播的理解，并将为下一代成像和操作带来期待和兴奋。在现代光子学这个丰富的领域还有很多要探索的地方：光物理学家还没有完全摆脱困境。

来源： Optics Photonics

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