新型光子纳米射流器件的设计

张 诚，林 剑

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

引言

光子纳米射流（PNJ）是介电微球或微柱体的Mie 散射形成的电磁光束的焦点[1-3]，是一种高度局部化的波场，在适当的照明条件下，会直接出现在介电微球的后面[4-5]，由于其在亚波长尺度上的高强度聚焦，光子纳米射流效应具有广泛的生物医学和光子学应用，例如粒子加速[6]、荧光成像[7]、拉曼光谱学[8-9]等。由于纳米射流的横向半高全宽可以小于 λ/2，因此光子纳米射流能够提高显微镜的分辨率[10-12]。

2004 年，Chen 等[13-15]发现当用一束平面波照射微米级尺度的微球时，微球后表面附近就会产生一个极窄的高强度亚波长衍射区域，这一现象被首次发现并称之为光子纳米射流[16]。使用高分辨率时域有限差分（FDTD）法进行数值模拟，发现光子纳米射流的横向半高全宽小于衍射极限，并且在几个光波长上传播而没有显著的衍射，作为一种近场聚焦，它的近场峰值的位置和强度取决于微球与其周围介质之间的折射率对比，以及微球的尺寸参数。

产生PNJ 的机制是一个复杂的散射、折射和衍射过程[17]。先前的研究结果表明，PNJ 的出现是因为照明场、散射场和衍射场之间的相长干涉。为了更好地理解PNJ 的产生机理，进行了系统的研究来考察各种参数的影响，例如折射率对比、微粒尺寸和形状，还提出和实验研究了几种方法来控制和操纵PNJ 的强度、横向和纵向尺寸。例如，在微球体上制造了各种功能结构，以实现光子纳米射流的束腰尺寸和工作距离的修改。……