本文导读：
1， 凸透镜对平面波入射的角度分辨率；
2， Comsol仿真双纳米线结构的光角度探测器；
3， 评论双纳米线结构及其耦合；
物理专业的《光学原理》考试经常会用凸透镜的分辨率做考点，比如：某相机凸透镜直径8cm，焦距30cm，对于550nm入射平面光，其最小分辨角是多少？
别看这些题目不起眼，但是研究起来，都是Nature子刊级的工作。今天模数哥要跟大家介绍的就是这样一个有趣且有意义的工作，是喻宗夫老师2018年发表在Nat. Nanotech.上的工作：Subwavelength angle sensing photodetectors inspired by directional hearing in small animals，点击文末阅读原文获得链接。这一篇工作online之后，两江科技评论就做了相关的报道：威斯康星大学-麦迪逊分校和斯坦福大学研发新型光电探测器。喻宗夫老师是范汕洄老师的得意门生，早在2014年模数哥就听过喻老师的报告，当时应该是朱嘉老师邀请过来的：
这篇文章的灵感来自于对壁虎对声音方向判断能力的研究。这类动物的头部太小，耳朵间距远小于波长，无法像人一样采用三点的方式定位声音的方向。相反，他们的头部有一条小隧道，可以测量入射声波反射的方式，以确定它们来自哪个方向。根据这个原理，喻老师他们设计了如下的微小的纳米结构，通过两根平行靠近的硅纳米线对入射电磁波的耦合，从而通过光电流的测量来实现对电磁波入射角的超灵敏传感：
在可见光550nm波长入射下，虽然单根硅纳米线的截面只有100nm *100nm，但是由于其折射率较高，≈ 4，仍可实现对光波的米氏散射。当两根纳米线的距离比较近时，则在耦合作用下，两根纳米线中的光能量分布便产生了劈裂（原图Fig.3）：
如上图所示，当两根纳米线距离较近时（d =100nm），其各自支持的米氏散射发生耦合，纳米线中的能量比与光的入射角度非常敏感。而当纳米线的距离变大（d =2um），他们相互间的耦合作用减小，两根纳米线中的能量均等，与入射角无关。画出d =100nm条件下纳米线间的能量比随入射角的关系（原图Fig.2d）：
由于模数哥未在文中找到模拟用纳米线的介电常数、电导率等信息，所以仿真结果和原文稍有区别，但是规律一致。为了简单理解这种纳米线之间的耦合作用，我们画出了40°入射情况下的光场能流分布图（原图Fig.2c）：
如上图所示，当光波从左上方入射时，左边的纳米线对电磁波造成了一定的散射，在右侧产生了一个阴影区，所以进入右侧纳米线的能量小很多。文章假设纳米线的电导率与光场能量强度成正比，所以左侧纳米线中的光电流要远大于右侧纳米线。通过测量并比较两根纳米线中的光电流，即可快速判断出光波的入射角度。
以上就是对本文的简单介绍，物理上非常好理解，思路确实非常巧妙，下面的几点点评：
1，本文claim的亮点是结构的微型化。和帖子开头介绍的宏观镜头相比，该结构确实小了好几个量级。
2，本文所设计的双纳米线结构，其实是微纳光学中非常经典的结构，Comsol软件的案例库就有directional coupler的例子。模数哥之前也已经介绍过多个基于此类结构的工作：电磁力系列2-2005 OL虚功原理计算平行波导间光力。所以好好学习案例库是非常有意义的。
3，但是在喻老师的这个工作中，这两根纳米线的模式耦合又和双波导结构的模式耦合不同。在双波导结构中，两根平行波导间的模式耦合是厄米的，只是引起了相位的劈裂，不论是对称模还是反对称模，他们在两根纳米线中的能量是相同的。而喻老师此处设计的双纳米线结构，其耦合属于非厄米的耦合，即是对外辐射的（模式与入射光场的耦合），需要细细体会其中区别。
4，接着上一条所讲，仿真建模时，我们根据其物理过程，采用的是背景场散射的设置。Comsol软件的案例库就有好几个这样的例子，如Scattering Nanosphere和Scattereron Substrate。采用二维的电磁波频域（Electromagnetic Waves, Frequency Domain），照葫芦画瓢即可。
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