作者：Nikolay I. Zheludev
英国南安普敦大学光电子研究中心
有几种方法能够击败经典的“衍射极限”。在光学领域，超透镜不仅是一个很有前途的选择：诸如超振荡等概念可以提供可行的替代方案。
几年前，一个有趣的机会刺激了对亚波长尺度上的人造光子材料的研究，即开发出与普通介质相反方向折射光的介质，因此被称为“负折射率材料”。“超材料”一词很快被广泛用于描述这类人工介质。今天，它的含义不仅包括负折射率材料，还包括具有各种不同寻常功能的人造介质，这些功能可以通过比外部刺激(如光学波长)的长度尺度更小的人工结构来实现。这包括具有极高或零折射率的超材料和高磁导率材料，或者像传统超导体排斥静态磁场一样排斥光波磁场的光频“超导体”。超材料已被证明具有童话般的特性，如“隐形”(由h·g·威尔斯在《隐形人》中介绍)，以哈利·波特斗篷的神奇方式“隐藏”物体的能力，以及与刘易斯·卡罗尔的镜子相媲美的令人费解的传输特性。就像格雷姆·米尔顿最近提出的那样，它们可以充当科幻小说中的电磁力屏蔽，还可以使用量子悬浮来飞行“魔毯”。然而，正是Veselago–Pendry光学负折射超透镜的令人难以置信的前景，能够分辨波长极限以外的特征，甚至可能揭示单个分子的结构，推动了动员世界上最好的研究实验室研究“纳米”和“元”光子学之间的界面。
现代显微镜突破了极限
人们对超分辨率的广泛兴趣本身并不令人惊讶，因为几个世纪以来，观测仪器日益精细化一直是科学技术的主要引擎之一。1590年，Hans和Zacharias Janssen发明了复合光学显微镜，Robert Hooke、Anthony van Leeuwenhoek和Ernst Karl Abbe对其进行了改进，这彻底改变了科学的各个方面，尤其是生物学，例如，当可以看到细菌和血细胞时。自那以后，诺贝尔奖因新成像技术的发展而多次获得：1903年，Richard Zsigmondy获得狭缝光学超显微镜和胶体研究奖，1953年，Frits Zernike获得相衬生物显微镜奖；1986年，Ernst Ruska获得电子显微镜，Gerd Binnig和Heinrich Rohrer获得扫描隧道显微镜。
几个世纪以来，观测仪器的精密度不断提高，一直是科学技术的主要引擎之一。
高分辨率x射线显微镜在15纳米以下空间分辨率方面的最新进展，是由用于x射线应用的复杂带板的开发所支撑的。在光学仪器领域，1984年Dieter Pohl、Aaron Lewis及其同事发明的扫描近场光学显微镜(SNOM)迈出了关键一步，首次实现了亚波长近场光学分辨率。在这里，一个结构的图像是通过扫描一个物理探针与亚波长孔径在接近照明标本创建的。事实上，听诊器，一种近场声学成像仪，自1816年由René Laennec发明以来，一直是医疗从业者不可或缺的工具。此外，高分辨率近场扫描孔径光学成像似乎是e.h. Synge更早的发明，他描述了一种“使分辨率达到0.01µm甚至更高”的方法。在阿尔伯特·爱因斯坦的鼓励下，他于1928年发表了这个想法（近场光学显微镜 突破分辨率极限的光学显微镜构想 《Phil.Mag.》1928年第六卷356~362页）。建议的实现包括“直径约为10 - 6厘米的微型光圈，……从下方强烈照射，并放置在成像样品的正下方”，这样透射光就可以被光电电池检测到，并由远摄设备记录，与光圈的运动同步。近年来，激光的广泛应用也导致了一些高分辨率非线性光学技术的发展，如双光子发光显微镜和受激发射耗尽显微镜。不幸的是，这些光学显微镜技术只适用于少数种类的标本。
事实上，到目前为止，还不可能通过使用低强度光并且不依赖于特定的分子吸收共振，以亚波长分辨率无损地观察活细胞、小型生物物体或其他标本的内部。电子显微镜技术可以提供这样的分辨率，但活细胞无法在所需的真空、暴露于强电子束或通常必要的样品金属化中存活。高分辨率隧道显微镜和光学扫描显微镜无法在不破坏活体或任何物体的情况下看到活体的内部截面：它们的操作取决于距离成像特征几纳米的探针的存在。光学亚波长分辨率对于距离扫描仪器的探针超过约一分之一波长的物体是不可能的。这就是为什么人们对光学超分辨率的新概念的发展表现出如此大的兴趣，在这种概念中，可以对距离成像仪器稍远的物体进行成像，甚至可能几十微米远。
超透镜
John Pendry和Victor Veselago提出的引人注目的超级透镜正是这种设备，可以将远距离物体的超分辨率成像为远场图像。超级透镜是基于通过在负折射率材料的平板中放大物体附近快速衰减的倏逝场来恢复它们。这种倏逝的、非传播的场通常被认为是形成亚波长场浓度和实现亚波长分辨率的必要成分。事实上，光子学界已经接受了这样一种观点，即光学仪器对位于远场（倏逝波已经消退）的物体成像的分辨率与众所周知的Abbe–Rayleigh规则所给出的分辨率相差不远，根据该规则，透镜可以区分的两点之间的最小距离大约为光的波长。
Xiang Zhang和 Zhaowei Liu在本期的综述中，从负指数超透镜和其他超透镜的角度，代表性地、引人入胜地介绍了光学超透镜的研究现状。超级透镜所需的体负指数材料应同时表现出负磁导率µ和负介电常数ε。显然，当物体及其图像位于“透镜”的亚波长附近时，实现超分辨率比对远程物体成像要简单得多。在这种情况下，“镜片”只有一种材料性质（ε或µ）需要为负，这一限制放宽了，导致John Pendry将这种“镜片”称为“穷人的超级镜片”。Richard Blaikie和Xiang Zhang小组在光谱光学部分的亚波长分辨率的独立演示中使用了银纳米层薄膜“穷人的超级透镜”。
微波课程
然而，有一种解决方案可以在近场之外提供亚波长聚焦的光。正如G.Toraldo di Francia早在1952年就指出的那样，“幸运的是，微波研究人员似乎不太关心，甚至可能不熟悉古老的波动光学定理[关于Abbe/Rayleigh分辨率标准]……因此，一个全新的理论已经建立，它包含了许多革命性的含义”。几十年来，微波界一直在考虑建造方向性超过衍射极限的天线。事实上，早在1922年，Oseen就参考了爱因斯坦的辐射“针棒”，证明了任意大比例的发射能量可以被发送到任意小的立体角。
1943年，S.A.Shelkunoff发表了一篇关于偶极子线性阵列辐射方向图的分析，并证明通过适当调整各个辐射元件，可以实现比传统均匀阵列更窄的辐射方向图。不久之后，Bouwkamp和Bruijn，以及Woodward和Lawson，能够证明方向性没有任何理论限制。
然而，尽管对超级增益天线的设计提出了一些巧妙的建议，但最初对开发极窄波束天线的热情很快就被冷静的怀疑态度所取代。怀疑论者认为，超指令照明函数对阵列设计和馈电特性变化的极端敏感度将使必要的制造公差难以实现，并将极大地限制天线的带宽。此外，实现超定向性所需的无功辐射功率比例的急剧增加可能意味着增益改进很可能被需要提供更高的功率增加以维持信号水平所抵消，从而使该概念不实现。
超振荡
然而，在没有倏逝场的情况下实现超分辨率的想法最近在光学领域得到了独立的复兴：Berry和Popescu从早期的量子力学研究开始，预测光栅结构上的衍射可以产生亚波长的光局部化，这些光比更熟悉的倏逝波传播到更远的远场中（图1）。他们将这种效应与这样一个事实联系起来，即带限函数能够比它们所包含的最高傅立叶分量更快地振荡，这种现象现在被称为超振荡。超振荡的想法挑战了一种公认的信念，即傅立叶谱有界的函数的变化速度不会快于其最高频率分量。
图1：用纳米孔阵列聚焦光。a、屏幕上的纳米孔阵列，作为超振荡场的发生器。当被平面单色波照射时，它可以产生亚波长的热点。b、一个函数（方程（1））在x＝0时超振荡。c、 当观察到亚波长超振荡热点时，由准周期孔阵列产生的“光子地毯”的例子。第b部分和第c部分经参考文献“超越衍射极限的光学超振荡技术”许可重印。
这一惊人的主张显然违反了许多人的直觉，也违背了所有的共同经验。然而，许多简单的超振荡函数的例子已经被识别出来。例如，一个只有五个组件的有限系列
f(x) = ∑an cos(2π × nx) (1)
可以产生与光散射和微波发射相关的超振荡函数。因此，当a0=1, a1=13295000, a2=- 30802818, a3=26581909, a4=-10836909, a5=1762818, an=0时，f(x)是一个超振荡函数。它在图1b(实线)中与最高频率分量(虚线)一起绘制。在x = 0处，函数的振荡速度比其最高频率分量快近9倍。
有一天，多亏了纳米技术，一个学生将能够把纳米阵列透镜拧到他的科学课显微镜上，并看到一个DNA分子。
除了超增益天线旨在创建一个狭窄的电磁辐射而超振荡发生器试图实现亚波长定位光距离光栅，这两个想法都有相同的底层物理：几个定制的相干源的干扰（见图1，c）。然而，在光学中设计超振荡的任务可能比设计一个超增益微波天线要容易得多。纳米孔阵列可以这样使用，通过光穿透纳米孔的定制干涉，在离它几十微米的地方实现超振荡。
事实上，显微镜可以承受比通信应用程序更高的损失。如果系统的光子吞吐量效率是提高分辨率的代价，那么我们可以合理地每秒只探测到少量光子，提供大约19个数量级（1瓦的激光器每秒产生大约1019个光子）。这样的功率储备实际上是需要的，因为在热点大小的减少的成本是在进入边带的功率的多项式增加。由一个光源相干激发的发射器的相对强度和相位稳定性在光学系统中很容易保持。光学超振荡发生器发展的唯一严重障碍是制造精度。今天，在硅或硅衬底上的金属薄膜上的一个孔可以以几纳米的位置精度制造，这应该足以产生光学超振荡发生器。只有几倍倍的改进将是观测仪器的革命性步骤。
最近，在金属薄膜中使用Penrose型纳米孔准晶阵列证明了超振荡场的光学发生器。当用相干光源照射时，它会在阵列的另一侧——几十微米外——产生复杂的衍射图案。在一定距离上，这些图案显示出明确的、稀疏分布的亚波长光定位。此外，由于这种亚波长定位是通过传播远场形成的，因此它们可以通过传统透镜投影到远场，或者用作扫描成像设备中的亚波长源，用于对位于远超近场区域的物体进行成像。现在的问题是，这种模式，或者任何超振荡光栅型场发生器，是否可以用作适当的远场到远场超分辨率透镜，以及它是否可以实现亚波长分辨率。
总之，正如通常的情况一样，科学是循环往复发展的：微波界已经理解了波动理论中的漏洞，但未能应用于实际的超定向天线设计，这对光学显微镜来说很可能是一个明智的命题：有一天，多亏了纳米技术，一个学生将能够把纳米阵列透镜拧到他的科学课显微镜上，看到DNA分子。
声明：本文并非医学诊断建议也非眼部健康信息建议
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