《Nature》文獻成果——3D電子“光場”成像：可視化納米光子加速器
以色列理工學院（Technion）與德國埃爾朗根-紐倫堡大學（FAU）的聯合團隊在《自然・通訊》（Nature Communications）發表論文《Imaging the field inside nanophotonic accelerators》，首次展示了一種基于光子誘導近場電子顯微鏡（PINEM）的頻調諧深亞波長近場成像技術。研究團隊通過改裝透射電子顯微鏡（TEM），結合連續波（CW）激光和能量過濾技術，成功“拍攝”了兩種主流納米光子加速器（雙柱結構與逆設計共振結構）內部的光場分布，揭示了設計與實際制備的偏差，并通過3D仿真闡明了制造公差對性能的影響。這一成果為高效納米光子器件的設計打開了新視角。
重要發現
01實驗技術：用電子“看見”光場的納米級細節
傳統光學顯微鏡受衍射極限限制，無法解析亞波長尺度的光場。
研究團隊創新性地改裝了透射電子顯微鏡（TEM），使其具備能量過濾透射電子顯微鏡（EFTEM）功能：
電子束首先穿過納米光子加速器（DLA）通道，與內部光場相互作用后，通過能量過濾器篩選出能量增加的電子（即被加速的電子），其空間分布直接反映了加速場的強度分布。
實驗中使用的連續波（CW）激光（波長1064nm）相比傳統飛秒脈沖激光有三大優勢：
弱場線性響應：避免電子能量飽和，確保信號強度與場強呈線性關系；
連續電子束：更高的電子通量和光束質量，提升成像信噪比；
窄帶光譜掃描：亞納米級波長調諧能力，可解析器件的精細光譜響應。
02兩種主流設計的“意外”光場分布研究團隊對比了兩種硅基DLA結構：
雙柱結構（Dual-pillar）：傳統設計，一側帶有分布式布拉格反射器。理論上，其中心應存在強加速場，但實驗發現中心場強為零，呈現反對稱模式（雙曲正弦分布），表明實際結構因制造誤差（柱直徑比設計值小48nm）激發了非預期模式。
逆設計共振結構（Inverse-designed）：通過算法優化的封閉通道結構。實驗顯示其場分布接近預期的對稱模式（雙曲余弦分布），且對制造誤差更魯棒——結構直徑偏差在-40nm至+4nm范圍內時，仍能保持對稱場分布，而雙柱結構僅在±4nm范圍內穩定。
033D仿真揭示制造誤差的關鍵影響通過3D數值模擬，團隊發現雙柱結構的異常場分布源于柱直徑的微小偏差。當柱直徑小于設計值時，反對稱模式主導，導致中心場強抵消，不僅降低加速效率，還會引起電子橫向偏移。相比之下，逆設計結構通過共振增強和幾何優化，顯著拓寬了對制造誤差的容限，證明了逆設計方法在實際制備中的優勢。
創新與亮點
01突破觀測極限：深亞波長分辨率與光譜解析力
該技術實現了亞10納米級空間分辨率和亞納米級光譜分辨率，首次在實驗中直接觀測到納米光子加速器內部的三維光場分布。這打破了傳統表征手段（如掃描電鏡僅能觀測結構表面，無法獲取場分布）的局限，為納米光學器件的“所見即所得”提供了關鍵工具。
傳統PINEM依賴脈沖激光與電子的同步作用，難以分離多波長激發的場分布。本研究采用連續波激光掃描波長，首次在單頻條件下解析近場響應，避免了脈沖寬帶激發的模糊性，為精確分析器件的光譜特性（如共振模式、相位匹配）奠定了基礎。
03逆設計結構的實際潛力：從理論到制造的橋梁
實驗證實，逆設計結構不僅在理想條件下性能優越，更能在制造公差范圍內保持穩定，這對大規模生產至關重要。相比之下，傳統雙柱結構對工藝誤差敏感，凸顯了逆設計方法在工程實踐中的價值——通過算法優化幾何參數，可平衡性能與可制造性。
總結與展望
這項研究通過可視化納米光子加速器的內部光場，揭示了設計與實際制備之間的微妙差異，為優化下一代緊湊型粒子加速器提供了關鍵數據。當前，納米光子加速技術的瓶頸在于電子軌跡控制和多模塊級聯，而精確的場分布信息是突破這一瓶頸的前提。
未來，研究團隊計劃將該技術擴展至三維場斷層掃描：通過激光聚焦掃描或芯片集成孔徑，逐段解析器件沿電子傳播方向的場分布（如圖5所示），結合去卷積算法進一步提升分辨率。這將推動復雜共振結構和變周期加速模塊的設計，助力實現更高加速梯度（目前實驗中為0.2MeV/m，而飛秒激光驅動可達GeV/m級）和更緊湊的裝置尺寸。
從更廣泛的應用看，該技術不僅適用于加速器，還可拓展至納米光學天線、光電子集成器件等領域，幫助科學家理解光與物質在亞波長尺度的相互作用。隨著超快電子顯微技術與逆設計算法的結合，我們正邁向一個“按需定制光場，精準操控量子”的新時代——或許在不久的將來，便攜式醫療X射線源、桌面級粒子對撞機等科幻場景，將借助這些納米級“光場地圖”變為現實。
論文信息聲明：本文僅用作學術目的。
Fishman T, Haeusler U, Dahan R, Yannai M, Adiv Y, Abudi TL, Shiloh R, Eyal O, Yousefi P, Eisenstein G, Hommelhoff P, Kaminer I. Imaging the field inside nanophotonic accelerators. Nat Commun.
DOI:10.1038/s41467-023-38857-z.
