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光学设计ZEMAX

隐失场:突破衍射极限

时间:2015/4/27 22:22:41   作者:郑士利   来源:正势利   阅读:867   评论:4
内容摘要:传统的光学技术中,常常会受到光波的衍射限制(例如光学显微镜的分辨率)。可以证明,这种衍射限制本质上来源于量子力学中的测不准关系限制。对于给定频率的光子,当它在某个方向上的动量范围给定时,它的分辨率也就定了。事实上,当年量子力学的创始人之一的Heisenberg在给出测不准关系的物...

传统的光学技术中,常常会受到光波的衍射限制(例如光学显微镜的分辨率)。可以证明,这种衍射限制本质上来源于量子力学中的测不准关系限制。对于给定频率的光子,当它在某个方向上的动量范围给定时,它的分辨率也就定了。事实上,当年量子力学的创始人之一的Heisenberg在给出测不准关系的物理解释时,正式利用光波衍射现象造成的限制来进行举例说明的。

然而,人类的心智总是不甘心停留的,人们终于想到了突破光波衍射极限以提高光学显微镜分别率的办法。

在物理概念上从只使用实数推广到使用虚数;从物理上讲,属于从传统中那样使用实光子辐射场推广到使用非辐射的虚光子场(不在光子质壳上的光子都是虚光子),前者就是传统中的光学成像,后者则属于近场成像。产生电磁波的源都可以称为天线。天线产生辐射远场和非辐射近场,前者包括我们通常看到的一束光,它在真空中传播,幅度不会衰减;后者则随空间距离迅速衰减,主要局域于天线附近,属于局域性的电磁波,或者附在材料表面附近的“表面波”。事实上,任何材料表面附近(包括金属表面)都存在这种近场,远看是呈电中性,近看则存在电荷密度涨落。近场有材料内部自己产生的,也有通过外来光波照射材料产生的。

现在来说明一下隐失场如何可以突破衍射极限,实现光子的空间局域的: 对于给定频率ω的光子,光子在某个方向的动量分量K通常小于或等于这个频率ω,根据测不准原理,光子在这个方向上的位置不确定度不小于1/ωPlanck常数置为1),显然频率越高,位置不确定度越小,以这样的光子作为光学显微镜的工作光子时,分辨率将由这个位置不确定度所限制。这就是传统光学显微镜的分辨率极限。然而,如果把隐失近场作为光学显微镜的工作光子,隐失近场的光子某方向上的动量分量K可以大于光子频率ω,使得光子在这个方向上的位置不确定度可以小于1/ω1/K <1/ω,从而可以成百上千倍地提高分辨率。近场光学显微镜比电子显微镜的好处在于,前者对被观察物理不产生损害,而且对被观察对象没有要求,而电子显微镜要求被观察物理物体具有导电性,还要求高真空等等。

       1/K <1/ω意味着光子的整个波数矢量(或动量矢量)的长度(等于ω)小于波数矢量某个分量K的长度。这怎么可能?难道整体比部分还小吗?是的,因为我们还有虚数,只要其他动量分量为虚数,被考察的动量分量幅度,就可以比整个动量矢量的幅度还大。正因为其他动量分量从实数变为虚数,原来的波动因子变为衰减因子,使得隐失波随距离成指数衰减。











 




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