NaturePhotonics：表面波实时成像

对于成像，众多研究者不停在致力于提高分辨率。根据瑞利判据，传统的光学成像分辨率受限于衍射极限，一般来讲，成像的分辨率极限是成像波长的一半，因此提高分辨率的方法之一就是使用更短的波长，由于电子的德布罗意波长(~1nm量级)比光波长(~500nm量级)短得多，这就是为什么电子显微镜比光学显微镜能够获得更多细节。

但是，电子显微镜比较体积笨重，不如光学显微镜方便使用，因此提高光学显微镜的分辨率也成为了一个研究热点。既然远场成像受到了衍射的限制，为何不尝试一下近场成像呢？由此诞生了近场显微镜。近场显微镜的出现直接将成像分辨率降到了十分之一波长以下，使人们看到了纳米尺度的视野。

目前近场显微镜的主要原理是利用探针获取表面波的信息。表面波是一种存在于界面的非辐射波，由于表面波体现了光在传播时遇到空间光学性质不连续情况下的瞬态变化，所以可以通过探测样品的表面波来探测样品的亚波长结构和光学信息。

正如前面所说，传统的光学显微镜由光学镜头组成，利用折射率和透镜曲率的变化，来放大物体的细节，这是一种利用辐射波的放大技术，由于放大过程受到衍射极限的限制，因此分辨率受限于半波长。

而表面波是一种存在于物体表面不向外辐射的波，由于等效波长较小，因此能够携带物体的细节信息，而传统的成像方法是无法利用到表面波，因而会缺失这部分物体的细节信息。但是当我们用一个非常小的探针在表面附近去探测表面时，便能够获取到这部分物体的细节信息，从而实现打破衍射极限，实现高分辨率成像。这就是目前近场显微镜的原理。

但是一般来讲，有得必有失，我们虽然可以利用近场光学显微镜获得高分辨成像，但我们往往会牺牲成像时间，这是由于近场光学显微是由探针在样品表面逐点扫描和逐点记录后数字成像的。这样一来，我们就无法做到对表面波的实时成像。

对于大部分人来讲，似乎只能接受这种一得一失的结果，但是有一些人总会想方设法去寻找“两全其美”的方法。来自以色列理工学院的Guy Bartal等人就提出了一种非常巧妙的方法，利用他们自行开发的一套光路实现了表面波的实时观察，既可以实现高分辨率(十分之一波长)，又可以实现实时成像。

他们的思路是结合传统成像和近场成像各自的优点：将表面波变成一种可以辐射出表面的传输光。

具体实现方法：将表面波编码到物体表面的非线性极化率中，然后利用四波混频技术将表面波的信息转换到非线性辐射波，从而使得这部分可以辐射的波携带有表面波的信息，实现实时成像的目的。

具体做法见图1，蓝色光束用来照射到光栅上从而激发表面波，红色光束用来激发金属表面的非线性过程，绿色光束即为携带有表面波信息的非线性辐射波。

图1 实时表面波成像原理图

具体解释这个过程，就是非线性波和表面波在界面处满足能量守恒和动量守恒，见图2的公式。因此通过这样一种转化，就使得表面波和非线性辐射波之间有了对应关系，从而使得我们可以实时探测非线性辐射波来重建表面波的形貌。

图2 非线性波和表面波满足的关系

根据这个原理，作者团队设计了多种激发表面波的结构，利用上述原理可以重建表面波的强度和相位信息，图3为一种结果。图3左侧为产生表面波的光栅结构，右侧为重建得到的表面波强度分布，分辨率达到了八分之一波长。

图3 产生表面波的结构和重建的表面波强度分布

该研究团队还在论文中提到，不限于论文中提到的四波混频方式，其他的非线性过程也能达到这一目的，同时不仅仅可以研究光栅耦合出来的表面波，其他的一些二维材料界面的表面波也可以被观测到。

更重要的一点，该团队提出的这一方案，所用到的光学设备都是极其常见的光学元件，因此方法巧妙，成本低廉、容易实现。

该项研究成果我们打开了一种新的思路：通过一种耦合的方式来观察表面波。