用黑暗建造坚固的光学结构

光学设备和材料使科学家和工程师能够利用光进行研究和实际应用，例如传感和显微镜。哈佛大学约翰·A·保尔森工程应用科学学院(SEAS)的FedericoCapasso团队多年来致力于发明更强大、更复杂的光学方法和工具。现在，他的团队开发了新技术，利用超表面来控制暗点，而不是光点。

“电磁场中的黑暗区域或光学奇点，由于其复杂的结构以及塑造和雕刻它们的难度，传统上提出了挑战。然而，这些奇点在遥感和精密测量等领域具有突破性应用的潜力”，SEAS应用物理学RobertL.Wallace教授和VintonHayes电气工程高级研究员Capasso说道，他也是描述这项工作的两篇新论文的高级通讯作者。

2011年，卡帕索的实验室推出了超表面，即亚波长间隔的纳米结构阵列。2016年，他们使用超表面构建了高性能超透镜(由他们使用半导体光刻技术制造的纳米柱组成的平面光学透镜)，这开启了使用极轻设备聚焦光线的新策略。

卡帕索小组发表在《自然通讯》和《科学进展》上的最新研究报告了超表面技术如何不仅能够利用光，还能够利用黑暗。

“这两项研究都引入了新型光学奇点——设计的黑暗区域——使用强大而直观的算法来指导超表面的制造，”与Joon-Suh共同发表在《自然通讯》上的论文的共同第一作者SoonWeiDanielLim说道。公园。

在这项研究中，Lim和合作者设计并制造了一种包含二氧化钛纳米柱超表面的光学装置，该装置可以控制光以创建一系列光学奇点。

为了准确控制这些暗点出现的位置，Lim使用计算机算法来帮助他对超表面的设计进行逆向工程。

“我告诉计算机：这就是我想要在黑点方面实现的目标，告诉我这个超表面上的纳米柱应该是什么形状和直径才能实现这一点，”他说。

当光穿过超表面和透镜时，它会产生指定的黑点阵列。

“这些黑点令人兴奋，因为它们可以用作捕获原子的光陷阱，”林说。“这有可能用于简化原子物理实验室中使用的光学架构，用紧凑、轻便的光学设备取代当今的传统设备(在实验室桌子上占据30英尺空间的仪器)。”

黑点不仅可以方便地捕获原子。它们还可用作高精度成像参考位置。

“黑暗点比光明点小得多，”林说。“作为成像系统的一部分，这使得它们成为有效的测量点，可以准确地区分样品内的两个不同位置。”

在他们的《科学进展》论文中，卡帕索小组描述了一类新的光学奇点：偏振光场中极其稳定的暗点，称为偏振奇点。

“我们设计的暗点可以承受各种扰动——它们受到拓扑保护，”该论文的第一作者克里斯蒂娜·斯皮格勒(ChristinaSpaegele)说。“这种坚固性为在各种应用中具有高可靠性和耐用性的光学设备开辟了道路。”

之前的研究实现了一些偏振奇点，但维持完美黑暗点的条件极其脆弱，使得它们很容易被杂散光或其他环境条件破坏。

斯皮格勒说：“通过专门设计的超表面和聚焦透镜照射光线，我们可以产生一个完全被光点包围的坚定的偏振奇点——本质上在亮度球体内形成一个暗点。”

该技术非常强大，即使在超表面上引入缺陷也不会破坏暗点，而只是改变其位置。

“这种程度的控制对于‘恶劣’环境中的样品成像特别有用，在这些环境中，振动、压力、温度和杂散光通常会干扰成像行为，”斯皮格勒说。

研究小组表示，光学奇点的这些新进展对遥感和隐蔽探测具有影响。

卡帕索说：“在对场景进行成像时，可以使用暗点来掩盖明亮的光源，从而使我们能够看到原本被遮蔽的微弱物体。”“放置在这些黑暗位置的物体或探测器也不会通过散射光泄露其位置，从而使它们能够‘隐藏’而不影响周围的光线。”