加州大学工程师突破光子学领域长期存在的瓶颈

加州大学圣地亚哥分校工程师突破了光子学领域长期存在的瓶颈：成功制造出兼具高灵敏度与强韧性的微型光学器件——这两种曾被视作根本对立的特性终于实现共存。这种罕见的特性组合将催生新一代光子器件，它们不仅精度更高、性能更强，还能实现低成本大规模量产。该突破为各类先进传感器与技术打开大门：从高灵敏度医疗诊断设备、环境传感器到更安全的通信系统，所有这些功能都将集成在微型芯片级器件中。

实现双重特性曾被视为不可能的任务。因为高灵敏度器件通常极为脆弱，制造过程中任何微小瑕疵都可能导致设备失效，致使量产成本高昂且难度巨大；而强化器件结构往往意味着牺牲精度。

如今，由加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院电气工程系Abdoulaye Ndao教授领衔的团队攻克了这一矛盾。

Ndao表示："我们的研究解决了这一关键挑战，设计出既能对环境高度敏感，又能抵抗制造缺陷与材料瑕疵的新型光子器件。"

该成果发表于《先进光子学》。

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多层周期性光子纳米结构，支持稳健的相位奇异性。

该器件核心在于"亚波长相位奇点"物理现象：当光被限制在小于自身波长的空间时，会形成光强归零的"全暗点"，同时其相位却保持完整周期变化。这种奇点既对环境变化高度敏感（是理想传感元件），又具备抵抗制造瑕疵的天然韧性。

实现该现象的关键在于特殊设计的纳米结构：研究人员构建的芯片级器件采用三层夹心结构——两层金纳米棒阵列中间填充超薄聚合物。底层纳米棒嵌入聚合物，顶层则暴露于空气中以便与目标分子直接作用。每层纳米棒以特定角度交错排列，通过调控层间水平间距即可精确控制光相互作用。

实验中，团队通过测量相位奇点证实了器件的双重特性。理论建模由联合第一作者Jun-Hee Park（博士生）与Liyi Hsu（博士后）完成；器件制备由联合第一作者Jeongho Ha负责；测量工作由Guang Yang完成——四位均来自Ndao实验室。

Ndao解释："相位奇点使光相位突变，对外部变化极其敏感。这种特性在高精度探测器、光通信及成像领域潜力巨大，但实用化长期受阻。"传统光学器件难以兼顾灵敏度与稳健性——灵敏设计往往脆弱，而稳固系统常失之精密。

Ndao强调："这是首个同时具备高灵敏度与强抗缺陷能力的光学器件。我们实现了既坚固又灵敏的微型光学器件——这个曾被断言不可能的组合。"

相关链接：https://dx.doi.org/10.1117/1.AP.7.3.035001