對于成像，眾多研究者不停在致力于提高分辨率。根據(jù)瑞利判據(jù)，傳統(tǒng)的光學成像分辨率受限于衍射極限，一般來講，成像的分辨率極限是成像波長的一半，因此提高分辨率的方法之一就是使用更短的波長，由于電子的德布羅意波長(~1nm量級)比光波長(~500nm量級)短得多，這就是為什么電子顯微鏡比光學顯微鏡能夠獲得更多細節(jié)。

但是，電子顯微鏡比較體積笨重，不如光學顯微鏡方便使用，因此提高光學顯微鏡的分辨率也成為了一個研究熱點。既然遠場成像受到了衍射的限制，為何不嘗試一下近場成像呢？由此誕生了近場顯微鏡。近場顯微鏡的出現(xiàn)直接將成像分辨率降到了十分之一波長以下，使人們看到了納米尺度的視野。

目前近場顯微鏡的主要原理是利用探針獲取表面波的信息。表面波是一種存在于界面的非輻射波，由于表面波體現(xiàn)了光在傳播時遇到空間光學性質(zhì)不連續(xù)情況下的瞬態(tài)變化，所以可以通過探測樣品的表面波來探測樣品的亞波長結(jié)構(gòu)和光學信息。

正如前面所說，傳統(tǒng)的光學顯微鏡由光學鏡頭組成，利用折射率和透鏡曲率的變化，來放大物體的細節(jié)，這是一種利用輻射波的放大技術，由于放大過程受到衍射極限的限制，因此分辨率受限于半波長。

而表面波是一種存在于物體表面不向外輻射的波，由于等效波長較小，因此能夠攜帶物體的細節(jié)信息，而傳統(tǒng)的成像方法是無法利用到表面波，因而會缺失這部分物體的細節(jié)信息。但是當我們用一個非常小的探針在表面附近去探測表面時，便能夠獲取到這部分物體的細節(jié)信息，從而實現(xiàn)打破衍射極限，實現(xiàn)高分辨率成像。這就是目前近場顯微鏡的原理。

但是一般來講，有得必有失，我們雖然可以利用近場光學顯微鏡獲得高分辨成像，但我們往往會犧牲成像時間，這是由于近場光學顯微是由探針在樣品表面逐點掃描和逐點記錄后數(shù)字成像的。這樣一來，我們就無法做到對表面波的實時成像。

對于大部分人來講，似乎只能接受這種一得一失的結(jié)果，但是有一些人總會想方設法去尋找“兩全其美”的方法。來自以色列理工學院的Guy Bartal等人就提出了一種非常巧妙的方法，利用他們自行開發(fā)的一套光路實現(xiàn)了表面波的實時觀察，既可以實現(xiàn)高分辨率(十分之一波長)，又可以實現(xiàn)實時成像。

他們的思路是結(jié)合傳統(tǒng)成像和近場成像各自的優(yōu)點：將表面波變成一種可以輻射出表面的傳輸光。

具體實現(xiàn)方法：將表面波編碼到物體表面的非線性極化率中，然后利用四波混頻技術將表面波的信息轉(zhuǎn)換到非線性輻射波，從而使得這部分可以輻射的波攜帶有表面波的信息，實現(xiàn)實時成像的目的。

具體做法見圖1，藍色光束用來照射到光柵上從而激發(fā)表面波，紅色光束用來激發(fā)金屬表面的非線性過程，綠色光束即為攜帶有表面波信息的非線性輻射波。

圖1 實時表面波成像原理圖

具體解釋這個過程，就是非線性波和表面波在界面處滿足能量守恒和動量守恒，見圖2的公式。因此通過這樣一種轉(zhuǎn)化，就使得表面波和非線性輻射波之間有了對應關系，從而使得我們可以實時探測非線性輻射波來重建表面波的形貌。

圖2 非線性波和表面波滿足的關系

根據(jù)這個原理，作者團隊設計了多種激發(fā)表面波的結(jié)構(gòu)，利用上述原理可以重建表面波的強度和相位信息，圖3為一種結(jié)果。圖3左側(cè)為產(chǎn)生表面波的光柵結(jié)構(gòu)，右側(cè)為重建得到的表面波強度分布，分辨率達到了八分之一波長。

圖3 產(chǎn)生表面波的結(jié)構(gòu)和重建的表面波強度分布

該研究團隊還在論文中提到，不限于論文中提到的四波混頻方式，其他的非線性過程也能達到這一目的，同時不僅僅可以研究光柵耦合出來的表面波，其他的一些二維材料界面的表面波也可以被觀測到。

更重要的一點，該團隊提出的這一方案，所用到的光學設備都是極其常見的光學元件，因此方法巧妙，成本低廉、容易實現(xiàn)。

該項研究成果我們打開了一種新的思路：通過一種耦合的方式來觀察表面波。