以色列理工学院（Technion）与德国埃尔朗根-纽伦堡大学（FAU）的联合团队在《自然・通讯》（Nature Communications）发表论文《Imaging the field inside nanophotonic accelerators》，首次展示了一种基于光子诱导近场电子显微镜（PINEM）的频调谐深亚波长近场成像技术。研究团队通过改装透射电子显微镜（TEM），结合连续波（CW）激光和能量过滤技术，成功“拍摄”了两种主流纳米光子加速器（双柱结构与逆设计共振结构）内部的光场分布，揭示了设计与实际制备的偏差，并通过3D仿真阐明了制造公差对性能的影响。这一成果为高效纳米光子器件的设计打开了新视角。

重要发现
01实验技术：用电子“看见”光场的纳米级细节
传统光学显微镜受衍射极限限制，无法解析亚波长尺度的光场。

研究团队创新性地改装了透射电子显微镜（TEM），使其具备能量过滤透射电子显微镜（EFTEM）功能：

电子束首先穿过纳米光子加速器（DLA）通道，与内部光场相互作用后，通过能量过滤器筛选出能量增加的电子（即被加速的电子），其空间分布直接反映了加速场的强度分布。

实验中使用的连续波（CW）激光（波长1064nm）相比传统飞秒脉冲激光有三大优势：

弱场线性响应：避免电子能量饱和，确保信号强度与场强呈线性关系；

连续电子束：更高的电子通量和光束质量，提升成像信噪比；

窄带光谱扫描：亚纳米级波长调谐能力，可解析器件的精细光谱响应。

逆设计共振结构（Inverse-designed）：通过算法优化的封闭通道结构。实验显示其场分布接近预期的对称模式（双曲余弦分布），且对制造误差更鲁棒——结构直径偏差在-40nm至+4nm范围内时，仍能保持对称场分布，而双柱结构仅在±4nm范围内稳定。

创新与亮点
01突破观测极限：深亚波长分辨率与光谱解析力
该技术实现了亚10纳米级空间分辨率和亚纳米级光谱分辨率，首次在实验中直接观测到纳米光子加速器内部的三维光场分布。这打破了传统表征手段（如扫描电镜仅能观测结构表面，无法获取场分布）的局限，为纳米光学器件的“所见即所得”提供了关键工具。

总结与展望
这项研究通过可视化纳米光子加速器的内部光场，揭示了设计与实际制备之间的微妙差异，为优化下一代紧凑型粒子加速器提供了关键数据。当前，纳米光子加速技术的瓶颈在于电子轨迹控制和多模块级联，而精确的场分布信息是突破这一瓶颈的前提。

未来，研究团队计划将该技术扩展至三维场断层扫描：通过激光聚焦扫描或芯片集成孔径，逐段解析器件沿电子传播方向的场分布（如图5所示），结合去卷积算法进一步提升分辨率。这将推动复杂共振结构和变周期加速模块的设计，助力实现更高加速梯度（目前实验中为0.2MeV/m，而飞秒激光驱动可达GeV/m级）和更紧凑的装置尺寸。

从更广泛的应用看，该技术不仅适用于加速器，还可拓展至纳米光学天线、光电子集成器件等领域，帮助科学家理解光与物质在亚波长尺度的相互作用。随着超快电子显微技术与逆设计算法的结合，我们正迈向一个“按需定制光场，精准操控量子”的新时代——或许在不久的将来，便携式医疗X射线源、桌面级粒子对撞机等科幻场景，将借助这些纳米级“光场地图”变为现实。

DOI:10.1038/s41467-023-38857-z.