基于金属的一系列狭缝可以引导等离子体波。（图片来源：原论文）
通过狭缝的波通常会扩散出来。但是对光和电子振荡的结合体——等离子体波，以及水波的新实验表明，一系列狭缝可以将波限制在一条狭窄的路径里。这些狭缝阻碍了波的外边缘，而未被阻碍的部分由于干涉效应而汇聚在波导的中心轴。在传统波导难以制造的情况下，基于简单狭缝的波导设计就变得实用，例如太赫兹（远红外）光波的实验。
波导设计有很多种，一种常见的形式是空心的金属管，可以传输无线电波或微波。而在较短的波长下，使用由介电材料制成的纤维是一种更有效的方法，其折射率使波在传播到纤维的外壳时发生反射，而非逃逸。然而，在某些情况下很难找到一种具有特定折射率的介电材料。
来自以色列特拉维夫大学（Tel Aviv University）的研究生Dror Weisman和他的同事们开发了一个基于裂缝的波导。“我们不需要任何具有特定折射率的特殊材料，”Weisman说，“我们唯一需要的是一种阻挡波的材料。”这个设计是基于称为衍射聚焦的现象：波通过狭缝时在发散之前形成一束狭窄的光束。这种聚焦很难观察到，因为它发生在狭缝附近：对于一个宽度大约5个波长的狭缝，聚焦发生在离狭缝大约10个波长的点上。
在之前的衍射聚焦研究中，Weisman和他的同事将第二个狭缝置于第一个的焦点位置附近，观察连续通过两个狭缝传播的波。他们注意到，当光通过两个狭缝时的衍射模式与通过一个狭缝的衍射模式相似，这表明这个过程可以适用于第三个狭缝、第四个狭缝等以此类推的情况。该团队预测，随着每个狭缝将其输出聚焦到下一个狭缝中，该系列可以充当一个波导。
此仿真图像展示了一个变换的狭缝阵列如何引导波延弯曲路径传播。（图片来源：原论文）
研究人员现已通过两个实验验证了这一预测。第一个实验涉及等离子体波，一种沿金属表面传播并与金属中的电子耦合的电磁波。为了在银板上制造一个基于狭缝的等离子体波导，科研小组制造了一对薄薄的银壁，每一对相隔14微米。他们测试了相邻狭缝间间隔40微米，共有2、3或4个狭缝的波导。
该小组用激光生成了波长约为1微米的等离子体光束，并用近场扫描光学显微镜探测每个波导的输出。据估计，由于缝隙壁的切割作用，每条狭缝都造成等离子体束约10%的能量损失。在单位距离的能量损耗方面，狭缝波导与传统的等离子体波导相当。
第二个实验用水槽中产生的水波测试了狭缝波导。研究人员没有让波通过一组屏障（空间缝隙），而是在短时间窗口（时间缝隙）内反复操作波产生器。每一次产生的波在空间和时间维度扩散前都“聚焦”成一个狭窄的波包。小组测量了聚焦点附近的波包的形状，并将振幅和相位数据反馈到波发生器以产生下一次脉冲，并消除掉时间窗口之外的数据。这个迭代过程限制了波包。
Weisman表示狭缝波导适用于所有形式的波。这种技术对太赫兹光很实用，因为现有的波导通常需要制造复杂的复合结构，而一个基于狭缝的太赫兹波导将更容易制造，这对长波导可能是一个优势。它还有一个优点是狭缝的大小和位置是可调节的。例如，研究小组证明，缩小狭缝的宽度使得波束变细，而移动狭缝的位置会改变波传播的方向。
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“这代表了光子器件设计工具箱中的一个新项目，”来自法国弗朗什-孔泰大学（University of Franche-Comté）的光学专家John Dudley说：“这是一篇精彩的论文，采用了看似众所周知的基本物理学概念应用于研发新的功能。”
作者：Michael Schirber
翻译：李周琦珺
审校：王嘉钰
引进来源：美国物理协会
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