电磁波衍射极限
编者按：
自1873年阿贝提出衍射极限以来，该问题就一直是学术界的研究热点和难点。近年来，随着近场光学、表面等离子体亚波长光学、非线性光学等学科的发展，人们开始在亚波长尺度重新认识衍射极限。本专题针对如何突破衍射极限，以及突破衍射极限之后的新问题，邀请本领域专家学者阐述最新进展和研究趋势，以期进一步促进相关理论、技术及应用的发展。
2017, 66 (14): 144201.
doi: 10.7498/aps.66.144201
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表面等离激元以其独特的光学性质广泛应用于纳米尺度的局域电磁场增强、超高分辨成像及微弱光电探测.阴极荧光是电子与物质相互作用而产生的光学响应，利用电子束激发金属纳米结构能够实现局域等离激元共振，并在亚波长尺度实现对共振模式的调控，具有超高空间分辨的成像特点.阴极荧光探测通常结合扫描电子显微镜或透射电子显微镜而实现，目前已被应用于表面等离激元的探测及共振模式的分析.本文从阴极荧光物理机理出发，综述了单一金属纳米结构和金属耦合结构的等离激元共振模式阴极荧光研究进展，并总结了阴极荧光与角分辨、时间分辨以及电子能量损失谱等关键技术相结合的应用，进一步分析了其面临的关键问题，最后展望了阴极荧光等离激元研究方向.
2017, 66 (14): 147901.
doi: 10.7498/aps.66.147901
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蓝宝石具有超强硬度及耐腐蚀、耐高温、在紫外-红外波段具有良好的透光性等优点，在军工业以及医疗器械方面具有广泛的应用前景.然而这些优点又对蓝宝石的机械加工或化学腐蚀加工带来困难.飞秒激光脉冲具有热损伤小、加工分辨率高、材料选择广等特点，被广泛应用于固体材料改性和高精度三维微纳器件加工.本文提出了利用飞秒激光多光子吸收特性在蓝宝石表面实现超越光学衍射极限的精细加工.利用聚焦后的波长为343 nm的飞秒激光，配合高精密三维压电位移台，实现激光焦点和蓝宝石晶体的相对三维移动，在蓝宝石晶体衬底上进行精确扫描，得到了线宽约61 nm的纳米线，纳米线间的最小间距达到142 nm左右.利用等离子体模型解释了加工得到的纳米条纹的产生原因，研究了激光功率、扫描速度对加工分辨率的影响.最终本工作实现了超越光学衍射极限的加工精度，为实现利用飞秒激光对高硬度材料的微纳结构制备提供了参考.
2017, 66 (14): 140702.
doi: 10.7498/aps.66.140702
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在光学成像领域，由于受到衍射极限的限制，常规成像分辨率在200 nm左右.科学的不断进步对更高分辨率有着迫切需求，如何突破这个极限来获得更高质量的高分辨率图像是热门研究领域.2011年提出了微球超显微技术：在原有的光学系统中，将直径几微米至几十微米的透明微球直接置于样品表面，就能够成倍提高传统光学显微镜的成像能力.微球超显微技术以其简单直接的特点，受到广泛关注.本文介绍了光学显微镜的研究背景以及国内外团队在微球超分辨显微技术方面的研究进展，包括通过在微球表面进行环刻同心环、中心遮挡和表面涂覆的方法来调节微球所产生的光子纳米喷射方面所开展的一系列研究，并进行了理论模拟和实验验证，进一步提升了微球的超分辨显微效应.最后，展望了今后微球超分辨显微技术的应用与发展方向.
2017, 66 (14): 144202.
doi: 10.7498/aps.66.144202
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近年来表面等离激元得到了越来越多的关注和研究，得益于其能把电磁场束缚在金属-介质界面附近的亚波长尺度范围内.本文回顾了近年来表面等离激元在量子信息领域中的理论和实验研究，包括表面等离激元的基本量子性质、表面等离激元量子回路、在量子尺度下与物质的相互作用及其潜在应用.量子表面等离激元开辟了对表面等离激元基本物理性质研究的新方向，可以应用于高度集成化的量子集成光学回路，同时也可以用来增强光与量子发光体的相互作用.
2017, 66 (14): 144205.
doi: 10.7498/aps.66.144205
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传统光学器件的衍射极限极大地制约了远场超分辨光学系统的进一步发展.如何从光学器件层面突破光学衍射极限瓶颈，实现非标记远场超分辨光学成像，是光学领域面临的巨大挑战.光学超振荡在不依靠倏逝波的条件下，可以在远场实现任意小的亚波长光场结构，这为突破光学衍射极限提供了一条崭新的途径.近年来，光学超振荡现象和超振荡光学器件的相关研究得到了快速发展，在理论和实验上成功地演示了超振荡光场的产生和多种超振荡光学器件，并在实验上展示了超振荡光学器件在非标记远场超分辨光学显微、成像以及超高密度数据存储等应用领域的巨大优势和应用潜力.本文对光学超振荡相关理论、超振荡光学器件设计理论和方法、超振荡光学器件发展现状、超振荡光场测试方法以及超振荡光学器件的应用等方面进行详细介绍和分析.
2017, 66 (14): 144206.
doi: 10.7498/aps.66.144206
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突破瑞利衍射极限，实现纯光学的远场超衍射极限聚焦和成像在科学和工程的各个领域都有重要意义.现有光学超分辨技术都存在一些固有的限制因素，如工作距离短、适用领域窄、不利于集成等问题.平面超透镜由于理论上的创新、设计灵活、效率高、方便集成等优势，成为实现超衍射极限的有效途径.本文综述了平面超透镜的物理原理及其在超衍射极限聚焦和成像方面近年来的研究进展，并讨论了该领域面临的问题和未来的研究重点和方向.
2017, 66 (14): 144208.
doi: 10.7498/aps.66.144208
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电磁超表面属于超材料的一种，是由许多亚波长纳米结构单元组成的二维功能性平面结构.根据惠更斯原理，超表面阵列可以任意调控光波的相位、振幅和偏振.与传统器件相比，基于这种超材料设计的光学功能器件最大的优势是其具有极薄的厚度.本文首先介绍了广义斯涅耳定律以及纳米单元结构调控相位的基本原理，重点归纳了电磁超表面在透镜成像技术方面的研究进展，包括等离子体超表面、全介质超表面以及金属/介质混合式超表面在成像方面的应用，最后指出了超表面在成像方面尚未解决的前沿问题以及与实际应用接轨的重要问题，希望能为以后的深入研究提供一定的参考和借鉴.
2017, 66 (14): 148701.
doi: 10.7498/aps.66.148701
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结构光照明显微成像技术（SIM）因其高分辨、宽场、快速成像的优势，在生物医学成像领域发挥了不可估量的作用.结构光照明显微成像技术与动态可控的亚波长表面等离激元条纹相结合，可以在不借助非线性效应的情况下，将传统SIM的分辨率从2倍于衍射极限频率提升到3-4倍，此外还有抑制背景噪声、提升信噪比的能力，在近表面的生物医学成像应用中有重要价值.本文介绍了表面等离激元结构光照明显微成像技术的原理，并总结了近几年国内外的相关研究进展.
2017, 66 (14): 148702.
doi: 10.7498/aps.66.148702
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光学显微镜一直推动着现代科学技术的发展.随着科学的进步，对显微成像分辨率的要求在生物、材料等领域日渐凸显，而常规宽场显微成像一直面临着成像分辨率衍射受限的问题.1968年出现的共聚焦显微镜作为点扫描显微镜的开端第一次实现了远场下成像分辨率的突破，它具有层切性好、信噪比高等优点.在1994年出现的受激辐射荧光损耗显微镜将显微成像能力突破到2.8 nm左右，并成为目前效果最佳、应用较广泛的超分辨显微技术.荧光差分显微和饱和荧光吸收竞争等点扫描技术具有无荧光染剂限制、饱和光强低、光路简单等优势，并且能取得1/6波长的分辨能力，进而在超分辨显微领域仍有着发挥空间.Airyscan技术作为以上方法的补充可以弥补点扫描系统中由于探测小孔半径减小而带来的信号丢失，从而提高成像信噪比和分辨率，但阵列探测器成本较高.上述点扫描显微镜通过改变照明或者探测的方式实现了分辨率突破.本文详细讨论了点扫描超分辨方法的原理、成像效果及面临的瓶颈，并分析了点扫描超分辨显微镜在应用和技术上的趋势.
2017, 66 (14): 144101.
doi: 10.7498/aps.66.144101
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作为波的本性之一，衍射是现代物理学的重要研究内容.衍射导致自由空间中波的能量不能被无限小地聚集，从而为成像、光刻、光存储、光波导等技术设定了一个原理性的障碍衍射极限.对于电磁波和光波而言，尽管通过提高介质的折射率可以压缩衍射效应，但由于自然界中材料的折射率有限，该方法存在很大限制.近年来，随着表面等离子体光学的兴起，表面等离子体在超越传统衍射极限方面的能力和应用前景受到了学术界的关注.本文从亚波长电磁学的角度出发，介绍衍射极限研究的历史，综述了突破衍射极限的理论方法.首先，利用金属介质表面等离子体激元的短波长特性，可将等效波长压缩一个数量级以上，在纳米尺度实现光波的聚焦或定向传输；更进一步，通过人为设计超构材料和超构表面，利用结构化金属和介质中的局域谐振、耦合等特殊电磁响应，可实现亚波长局域相位调制、超宽带色散调控、近完美吸收、光子自旋轨道耦合等，从而突破传统理论的诸多局限，为下一代电磁学和光学功能器件奠定重要基础.
2017, 66 (14): 144207.
doi: 10.7498/aps.66.144207
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随着纳米科技和微纳电子器件的发展，制造业对微纳加工技术的要求越来越高.激光加工技术是一种绿色先进制造技术，具有巨大的发展潜力，已广泛应用于不同的制造领域.为实现低成本、高效率、大面积尤其是高精度的激光微纳加工制造，研究和发展激光超衍射加工技术具有十分重要的科学意义和应用价值.本文首先阐述了基于非线性效应的远场激光直写超衍射加工技术的原理与国内外发展状况，包括激光烧蚀加工技术、激光诱导改性加工技术和多光子光聚合加工技术等；然后介绍了几种基于倏逝波的近场激光超衍射加工技术，包括扫描近场光刻技术、表面等离子激元光刻技术等新型超衍射激光近场光刻技术的机理与研究进展；最后对激光超衍射加工中存在的问题及未来发展方向进行了讨论.
2017, 66 (14): 144209.
doi: 10.7498/aps.66.144209
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随着纳米科学技术的发展，如何打破光学衍射极限，将光学显微术的分辨本领推进到纳米尺度，已经成为光学领域的一个核心议题.在此背景下，过去的三十年间，发展了多种超分辨光学显微技术，并在生物、材料、化学领域取得了一系列令人瞩目的应用.本文以衍射理论为线索，回顾各类基于线性成像系统的超分辨光学显微技术；对以固浸物镜、结构光照明、扫描近场光学显微术、完美透镜以及超振荡透镜为代表的超分辨光学显微技术进行综述，讨论各种技术的原理，对其特点、应用与局限加以总结，并对该领域的未来发展予以展望.
2017, 66 (14): 147101.
doi: 10.7498/aps.66.147101
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纳米光子学是研究光在纳米尺度下的行为以及光和纳米材料相互作用的一门科学.金属纳米材料凭借其独特的表面等离子体效应，可以在衍射极限以下对光进行传递和聚焦，因而是纳米光子学研究的重点.大量研究表明，通过调控金属纳米材料的形貌和成分可以控制表面等离子体的性质，从而对光进行可控调节.近年来，随着DNA纳米技术的发展，又为纳米光子学的发展带来了新的机遇.首先，人们发现不同的DNA碱基排列可以调控金属纳米颗粒的成长，从而影响金属纳米颗粒的形貌和成分.此外，利用DNA自组装技术，可以将金属纳米颗粒组装成为有序可控的纳米结构.因此，基于DNA的纳米光子学研究近年来发展十分迅速.在此背景下，本文对相关研究进行归纳与总结，以期吸引更多研究人员的关注，推动该领域的进一步发展.本文首先介绍了金属纳米结构基于表面等离体实现突破光学衍射极限的原理，然后按照DNA对金属纳米结构的形貌或成分影响方式的不同分成若干部分，对基于DNA的纳米光子学做了系统的综述，最后展望了未来可能的发展方向.
2017, 66 (14): 147803.
doi: 10.7498/aps.66.147803
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在线性光学范畴内，人们已经通过亚波长尺度的超薄超构表面成功实现了对光的众多新颖特性的调控功能.其主要理念是通过对具有亚波长尺度且空间方向变化的超构功能基元进行特定的排列，从而实现对光的偏振、相位和振幅的有效控制.近来，超构表面上的非线性光学特性也引起了大家的广泛关注.在本综述中，我们对非线性光学超构表面的设计、超构功能单元的材料和对称性选择、非线性手性光学、非线性贝里几何相位和非线性波前整形等内容进行了总结；最后对非线性光学超构表面在调控光与物质的相互作用中面临的挑战和前景进行了展望.
2017, 66 (14): 148703.
doi: 10.7498/aps.66.148703
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光学成像系统中有限孔径对光波的衍射，使得光学显微成像技术的分辨率受到衍射极限限制而无法进一步提高.自1873年E.K.Abbe提出该问题以来，衍射极限就一直是学术界研究的热点.近年来，随着高强度激光、高灵敏探测器等光电器件研制技术以及新型荧光探针开发等相关领域的快速发展，光学显微技术衍射极限问题的研究迎来了新的契机，超分辨显微成像技术（super-resolution microscopy，SRM）在近十年内取得了令人瞩目的巨大成就.本文从空域和频域角度回顾了衍射极限分辨率的基本原理，并据此对目前常见的各种SRM技术绕过衍射极限提高分辨率的机理给予了详解，同时介绍了各类技术的发展动态和研究方向；作为SRM的一个新的重要的发展趋势，本文详细介绍了超分辨关联显微技术的最新研究进展，包括SRM与活细胞实时荧光显微、荧光寿命显微、光谱测量和成像、电子显微、原子力显微、质谱技术等的关联，着重讨论了各类超分辨关联显微技术的作用和意义；最后，对SRM技术和超分辨关联显微技术的未来发展方向进行了展望.
2017, 66 (14): 148704.
doi: 10.7498/aps.66.148704
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结构光照明显微（structured illumination microscopy，SIM）作为一种宽场超分辨光学显微成像技术，具有成像速度快、光漂白和光毒性弱等优点，是目前主流超分辨成像方法之一.在SIM技术中，正弦强度分布的条纹结构光场的对比度决定了SIM超分辨图像的质量.低的条纹对比度将导致样品中超衍射极限的高频信息被噪声掩盖，从而无法解析出超分辨信息.结构照明入射光的偏振态调控决定了干涉条纹的对比度，是SIM的关键技术.鉴于此，本文总结对比了几种典型的SIM系统偏振控制方法，同时提出了一种使用零级涡旋半波片的偏振控制方法.实验证明，与其他方法相比，采用零级涡旋半波片法可以获得更高效的偏振控制效果，具有系统结构简单、易使用、可将光能利用率提升到接近100%的优点.
2017, 66 (14): 144210.
doi: 10.7498/aps.66.144210
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以艾里光束为代表的自加速光束是一类在自由空间中具有弯曲传播特性的新型特殊光束.这类光束因其具有无衍射、自加速和自修复等奇异特性引起了人们的广泛关注，有望应用于光学微粒操控、激光微加工、全光路由和超分辨成像等诸多领域.由于艾里光束只能沿着抛物线的轨迹传播，限制了其在实际应用中的灵活性，因而设计出能够沿着不同轨迹传播的自加速光束是这一研究领域的关键问题，而基于焦散线方法的自加速光束设计是解决该问题的有效途径之一.这一方法是将设计的传播轨迹与光学焦散线联系起来，通过分析形成该焦散线所需的光线簇构造出对应的初始场分布.基于该原理并经过不断发展，不同类型的自加速光束相继得以实现，并且借助维格纳函数还可以同时实现实空间和傅里叶空间的自加速光束设计，为自加速光束的应用提供了更多的可能性.本文对基于焦散线方法的自加速光束设计原理和进展进行全面介绍.
2017, 66 (14): 147802.
doi: 10.7498/aps.66.147802
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自从电磁波被发现和应用以来，利用各种材料或者结构调节电磁波的辐射行为、构造高性能的电磁辐射器件一直是研究人员的追求目标。经过百余年的发展，电磁辐射器件的方向性提高、带宽拓展等技术逐渐达到瓶颈。受自然材料电磁特性的限制，微带天线、喇叭天线等传统电磁辐射器件存在体积重量大、工作带宽窄、无法快速动态调控等缺陷，难以满足日益发展的通信技术的需求。近年来出现的亚波长结构可在深度亚波长尺度下调控电磁波的传输行为，出现了多种奇异的电磁现象，完善了传统的电磁学理论，在一定程度上突破了传统材料电磁特性的限制，形成全新的电磁辐射技术，有效解决了传统天线存在的口径大、厚度高、带宽窄等难题，促进了电磁学、光子学、材料学等领域的发展。这种基于超构材料的新型天线可以被称为超构天线，其具有高方向性、低副瓣、超宽带、可重构等传统天线难以实现的功能。本文主要回顾了近年来基于亚波长超构材料的超构天线技术的发展现状和取得的成果，介绍了超构材料在亚波长尺度下对电磁波振幅、相位、偏振态等的衍射调控机理，以及在此基础上形成的新型辐射器件，例如相控阵天线、高方向性天线、低雷达散射截面天线，基于亚波长结构的多种偏振调控器件及其在天线中的应用等。在衍射极限尺度下，这种亚波长结构的调控行为可有效提升电磁辐射器件的方向性、带宽，并可重构天线的工作频率、偏振态等性能。
2017, 66 (14): 147804.
doi: 10.7498/aps.66.147804
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超衍射成像是当前光学领域的研究热点.本文利用一种不对称分裂环超表面结构来实现超衍射成像，该结构由上下两个不对称的金属环组成，通过集体陷模共振可实现对入射光的波矢选择性透过.当物体发出或反射的光照射到超表面上时，入射角大于某一角度的入射光会被共振电场耦合吸收或反射，只有低空间频率的光波可以通过，从而减小衍射的影响，实现超衍射成像.数值模拟结果表明了这一方法的可行性.
2017, 66 (14): 148101.
doi: 10.7498/aps.66.148101
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光刻技术（lithography）是微纳结构制备的关键技术之一.受限于光的衍射极限，传统光刻方法进一步缩小特征尺寸变得越来越难.表面等离子激元（surface plasmon polariton，SPP）作为光与金属表面自由电子密度振荡相互耦合形成的一种特殊电磁形式，具有波长短、场密度大、异常色散等特点，在突破传统光学衍射极限的研究和应用中具有重要的学术和实用价值.本文针对SPP在光刻胶中的非线性吸收及其在大视场纳米光刻中的应用进行了理论和实验探索.在回顾SPP概念的基础上，阐述了双SPP吸收的概念及其应用于纳米光刻的优势，明确了该效应具有与传统双光子吸收不同的内涵和特性.在800和400 nm飞秒激光的作用下，实现了基于双SPP吸收效应的周期干涉条纹，同时验证了双SPP吸收的阈值效应，通过控制曝光计量实现了图形线宽的调控，最小线宽小于真空光波长的1/10.利用SPP波长短、场增强的特点，并结合非线性吸收的阈值效应，单次曝光区域比纳米图形尺度大4-5个数量级，曝光区域的直径可达1.6 mm.同时制备出较为复杂的同心圆环结构.基于双SPP吸收独有的特性以及SPP丰富的模式，有望进一步在大光刻视场、超小尺度图形光刻技术上获得突破.
2017, 66 (14): 148705.
doi: 10.7498/aps.66.148705
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作为束缚于表面或界面的电磁波与极性元激发的耦合模量子，表面极化激元是克服衍射极限的核心物理.在紫外、可见以及近红外波段，表面等离子极化激元展现出了亚波长特性，具有高分辨成像等应用，并发展成为表面等离子极化激元亚波长光学学科；在中红外波段，表面声子极化激元发挥着同样的作用.太赫兹波段曾是人类认识的空白区域，近三十年来得以高速发展，其战略意义重大.具有克服衍射极限能力的太赫兹表面极化激元同样是小型化与集成化太赫兹器件，以及太赫兹超高分辨成像的重要物理基础.近几年来，对以石墨烯为代表的二维材料的研究突飞猛进，诞生了石墨烯表面等离子极化激元亚波长光学这门学科，并贡献于太赫兹领域.本文对可在太赫兹波段工作的人工超构材料、掺杂半导体、二维电子气、二维材料、拓扑绝缘体等结构材料的表面极化激元进行了较为全面的总结与介绍，为研制克服衍射极限的太赫兹集成光子学器件提供可资借鉴的物理基础.
