基于納米顆粒的近場光場多分量表征技術(shù)馬志遠(yuǎn)

關(guān)鍵詞：近場光學(xué)；米散射；納米顆粒；緊聚焦；表面等離激元；近場光學(xué)顯微鏡

中圖分類號：O 436.2; TH 742 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引言

近場光學(xué)是一門探索光在納米尺度與物質(zhì)相互作用的前沿學(xué)科[1]，近場區(qū)域內(nèi)會產(chǎn)生不同于遠(yuǎn)場標(biāo)量衍射理論的諸多奇異物理現(xiàn)象，例如面外光場分量的產(chǎn)生、自旋軌道耦合等現(xiàn)象[2-3]。如何將這些奇異的近場光學(xué)現(xiàn)象通過實(shí)驗(yàn)設(shè)施精確表征使其有利于揭示近場光學(xué)現(xiàn)象背后的機(jī)理，是該領(lǐng)域的研究關(guān)鍵之一。然而，近場光場較強(qiáng)的束縛性以及復(fù)雜的矢量性，使得近場光場表征技術(shù)成為該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)之一。

目前已有的典型技術(shù)是近場掃描光學(xué)顯微鏡（near-field scanning optical microscopy，NSOM），它利用精細(xì)的近場探針深入到近場區(qū)域，收集近場光信號。NSOM的近場探針一般分為孔徑式和散射式兩類[4-5]。一種是孔徑式近場掃描顯微鏡，如圖1（a）所示，通過在探針上打一個(gè)小孔用于傳遞或接收光信號，這個(gè)小孔的大小一般為100～250nm[6]，通過控制單快重離子打孔的加工方法有望將孔徑尺寸減小到10～20nm[7]，減小孔徑的尺寸能達(dá)到更高的分辨率，但同時(shí)光通量會被犧牲，使成像信噪比降低，所以孔徑的尺寸也不宜過小。另一種是散射式近場掃描探針，如圖1（b）所示，將尖銳的頂端探入到物體表面的近場區(qū)域，在遠(yuǎn)場收集來自尖端的散射光[4，8]。以這兩者為基礎(chǔ)衍生出的新型近場探針，可對多種電、磁場分量進(jìn)行表征[5，9-11]。

如圖2（a）所示，將孔徑做成空心金字塔形狀的掃描近場探針，在與納米樣品耦合時(shí)誘導(dǎo)有效的磁偶極子在面內(nèi)磁場最大值處激發(fā)表面等離子體共振，再通過探針傳輸?shù)墓鈴?qiáng)發(fā)生的變化用于映射面內(nèi)磁場的分布[12]。圖2（b）上圖所示的是面內(nèi)圓對稱的傳統(tǒng)孔徑探頭，面內(nèi)電場分量可以在此光纖中形成導(dǎo)波模式傳輸?shù)焦饫w另一端的探測器中，通過后續(xù)的偏振分束裝置和參考臂干涉裝置實(shí)現(xiàn)面內(nèi)電場分量（x和y方向）及其相位的表征。面外磁場會在金屬包層中形成面內(nèi)的環(huán)形電流，但是不能形成光纖中的導(dǎo)波模式，無法傳輸?shù)焦饫w另一端的探測器中。如圖2（b）下圖所示，使用聚焦離子束在側(cè)面（y軸）做40nm開口的探頭，破壞了探針的面內(nèi)對稱性。在面外磁場作用時(shí)，本應(yīng)產(chǎn)生的環(huán)形電流會在開口處形成振蕩電荷分布，從而形成x方向的面內(nèi)電場，進(jìn)入光纖并從相應(yīng)偏振通道檢出，此時(shí)不影響y方向電場。所以，這種破壞面內(nèi)對稱性的探針可以同時(shí)測量一個(gè)方向的面內(nèi)電場和面外磁場[13]。

散射式近場掃描探針的頂端制作成尖細(xì)的形狀，有利于提高散射效率，產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部場增強(qiáng)效應(yīng)。如圖3（a）所示，一種由銀納米線（AgNW）構(gòu)成的散射式探針[14]，在尖端處通過聚焦離子束加工制成高深寬比的錐形結(jié)構(gòu)，尖端的尺寸為納米級。該結(jié)構(gòu)可將光束聚焦到探針頂端，從而實(shí)現(xiàn)近場照明。通過該技術(shù)對鎢?鹵素?zé)舻膶捁庾V光聚焦，實(shí)現(xiàn)了對單壁碳納米管的縱向和橫向光學(xué)電子躍遷的檢測。如圖3（b）所示，原子力顯微鏡（AFM）可結(jié)合紅外（IR）光譜技術(shù)，探針作為紅外光波導(dǎo)，可將紅外光場聚焦且限制到納米尺寸的點(diǎn)上[15]。將該探針接近樣品表面時(shí)，尖端產(chǎn)生的局域場被樣品散射，通過檢測散射波的振幅和相位，獲得樣品的納米尺度紅外響應(yīng)。

綜上，近場掃描光學(xué)顯微鏡技術(shù)的發(fā)展在一定程度上解決了束縛性問題，但是克服近場光場復(fù)雜的矢量性，需設(shè)計(jì)具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的近場探針，這類探針的制造依賴于復(fù)雜先進(jìn)的半導(dǎo)體制造工藝，成本較高。本文主要介紹本課題組近年來開發(fā)的利用納米顆粒作為近場探針的近場表征技術(shù)，該技術(shù)以米氏散射理論為基礎(chǔ)，根據(jù)納米顆粒圓對稱的特性，通過對顆粒材質(zhì)、尺寸的設(shè)計(jì)，對各種電磁分量，包括面內(nèi)、面外的光頻電場、磁場等進(jìn)行精細(xì)表征。對這些分量的檢測可實(shí)現(xiàn)對近場區(qū)域內(nèi)自旋分量、軌道自旋耦合、光學(xué)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等精確的表征。此外，納米顆粒作為近場探針具有造價(jià)低廉，控制系統(tǒng)簡單的優(yōu)勢，為揭示近場光學(xué)機(jī)理提供了一種高效的表征手段。

1納米顆粒對表面等離激元的表征

表面等離激元（surface plasmon polariton，SPP）是一類典型的近場光場[16-21]，圖4展示了由納米顆粒作為近場探針探測金屬表面等離激元的光路示意圖[22]。激光經(jīng)高數(shù)值孔徑（NA）油浸物鏡緊聚焦在金屬薄膜表面，入射光在特定的角度耦合進(jìn)金屬波導(dǎo)，導(dǎo)致金屬和空氣界面的表面自由電子集體震蕩，激發(fā)表面等離激元。SPP光場在金屬表面?zhèn)鞑サ倪^程中，被放置于金屬薄膜表面的納米顆粒散射，利用收集物鏡在遠(yuǎn)場收集散射信號，通過納米位移臺掃描，最終實(shí)現(xiàn)對SPP光場分布的成像。

納米顆粒制備簡單、產(chǎn)量大、成本低廉。圖4所示掃描系統(tǒng)也不需要復(fù)雜的控制技術(shù)，具有系統(tǒng)簡單，成本低廉的優(yōu)勢。用納米顆粒取代前面提到的金屬尖端作為近場探針，可以充分利用納米顆粒的圓對稱性，以及不同材料的顆粒對光場的不同響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對SPP光場多種分量的表征，具有多參量表征的優(yōu)勢。本文將依次介紹電場，磁場的面內(nèi)、面外分量的探測。

1.1聚苯乙烯納米顆粒對SPP面內(nèi)電場分量的表征

如圖5（a）所示，聚苯乙烯（PS）介質(zhì)顆粒折射率為1.58，在SPP近場光場中被一定程度地極化，產(chǎn)生的散射光輻射到遠(yuǎn)場被收集。圖5（b）和（c）分別展示了電場面內(nèi)（橫向，x、y方向）和面外（縱向，z方向）分量的輻射方向，其中面內(nèi)分量的輻射方向主要集中在小角度區(qū)域，而面外分量的輻射方向主要集中在大角度區(qū)域。合理地選擇收集物鏡的NA決定了收集的電場分量及其效率。由于面內(nèi)場較弱，為了補(bǔ)償橫縱場的幅度差異，需提高面內(nèi)場與面外場的收集效率比，通過計(jì)算當(dāng)NA從0.1到1逐次增加時(shí)面內(nèi)場與面外場的收集效率比，如圖5（d）所示，其中的虛線表示NA為0.7時(shí)的情況。圖5（e）為虛線的詳細(xì)信息，當(dāng)NA為0.7時(shí)，選擇直徑為300nm的PS顆粒可以使收集效率比達(dá)到兩個(gè)數(shù)量級以上[23]。

如圖6（a）～（d）所示，用直徑為97，201，320和397nm的PS納米顆粒掃描得到面內(nèi)場分布，并與圖6（e）～（f）理論計(jì)算的面外場及面內(nèi)場進(jìn)行對比。因SPP光場以面外電場為主，比面內(nèi)場強(qiáng)度高約一個(gè)數(shù)量級，在顆粒直徑為97nm時(shí)探測結(jié)果更接近面外場，在直徑320nm時(shí)顆粒便可以映射較弱的面內(nèi)場。當(dāng)NA為0.7且PS顆粒直徑為320nm，收集效率比足以補(bǔ)償橫縱場的幅度差異，減少面外場的影響，實(shí)現(xiàn)對SPP中弱面內(nèi)場的表征。

1.2金屬納米顆粒對SPP電場面外分量的表征

當(dāng)顆粒與薄膜的間距為納米量級時(shí)，金屬納米顆粒上的局域表面等離激元與在金屬膜上傳播的傳導(dǎo)表面等離激元共振耦合，在兩者之間的縫隙處，電磁場會局域增強(qiáng)兩個(gè)數(shù)量級以上，最高可達(dá)1011[24-25]。圖7（b）展示了金屬顆粒和金屬膜之間的間隙模式，該模式的局域增強(qiáng)效果與偏振方向緊密相關(guān)，其中面外電場分量可以在顆粒和金屬表面縱向聚集大量正負(fù)電荷，從而激發(fā)強(qiáng)烈的局域電場，局域增強(qiáng)效果顯著。相反，面內(nèi)電場無法激發(fā)出強(qiáng)烈的局域增強(qiáng)效果[26]。

利用間隙模式的局域增強(qiáng)效應(yīng)，使用銀納米顆粒作為近場探針，可以探測4-MBA分子的表面增強(qiáng)拉曼散射（surface enhanced Raman scattering，SERS）信號，并描繪出近場SPP光場的面外電場分量。圖8（a1）～（a3）證明銀納米顆?？梢杂糜赟PP面外電場分量（Ez）的表征。圖8（b1）～（b3）分別對應(yīng)用線偏振高斯光（linearly polarized Gaussian beam，LPGB）、圓偏振光（circularly polarized beam，CPB）和拓?fù)浜蓴?shù)為1的線偏振渦旋光（linearly polarized optical-vortex beam，LPVB）激發(fā)的SPP光場。圖8（c）為RPB面外電場橫截面強(qiáng)度的測量與理論計(jì)算對比圖，其中FWHM為該聚焦場的半高寬，優(yōu)于標(biāo)量衍射理論計(jì)算的半高寬，顯示徑向偏振光場聚焦的優(yōu)越性。如圖8（d）所示，在膜上任意抽取了50個(gè)顆粒的半高寬的測量統(tǒng)計(jì)，可確定此方法對面外電場的測量具有較高的可重復(fù)性。圖8（b2）展示了入射圓偏振光所攜帶的自旋角動量在緊聚焦之后轉(zhuǎn)化為軌道角動量，SPP光場Ez呈現(xiàn)出中空的環(huán)形分布。這展示出基于納米顆粒的近場表征技術(shù)可以對發(fā)生在近場條件下的自旋?軌道耦合效應(yīng)進(jìn)行精確表征。

1.3硅納米顆粒對SPP磁場面外分量的表征

由于帶電粒子的移動速度一般遠(yuǎn)低于光速，所以多數(shù)傳統(tǒng)材料對磁場的響應(yīng)比對電場的響應(yīng)要弱得多，這導(dǎo)致磁響應(yīng)難以提取。硅（Si）是一種高折射率介質(zhì)材料，對光頻磁場也有較強(qiáng)的共振響應(yīng)，其最低階的共振即為磁偶極共振[27]。通過合理設(shè)計(jì)硅納米顆粒尺寸，從而讓其磁偶極共振峰達(dá)到所有激光器的波長。圖9（b）為利用米散射理論計(jì)算直徑為160nm的硅顆粒的共振光譜。激發(fā)光波長為633nm時(shí)，面外磁場分量激發(fā)的面外縱向取向的磁偶極共振模式如圖9（c）～（d）所示，同時(shí)，面內(nèi)磁場分量極化的面內(nèi)橫向取向的磁偶極模式如圖9（e）～（f）所示。磁偶極共振對應(yīng)磁場分量聚集在中心的強(qiáng)度，如圖9（c）～（e）；也對應(yīng)顆粒內(nèi)形成的環(huán)形電流，如圖9（d）～（f）。

如2.1節(jié)所述，偶極輻射具有較強(qiáng)的方向性。圖10展示了偶極輻射在金屬?介質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（metal-dielectric waveguide，MDW）表面的方向性輻射，其中縱向磁偶極輻射集中在較大角度區(qū)域，如圖10（a）所示；橫向磁偶極輻射在物鏡邊緣，如圖10（b）所示；橫向電偶極共振集中在小角度中心區(qū)域，如圖10（c）所示。那么，利用NA為0.9的物鏡則可以擋住橫向磁偶極共振的散射光，并在后焦面安裝等效NA為0.4空間掩膜則可以過濾橫向電偶極共振的散射光，從而提取出較純凈的縱向磁偶極共振信號[27]。

1.4球殼結(jié)構(gòu)納米顆粒對磁場面內(nèi)分量的表征

圖9（b）顯示硅納米顆粒在磁偶極共振時(shí)仍有較強(qiáng)的電偶極共振影響，會嚴(yán)重降低磁場檢測的信噪比[28]。從圖11（b）中尺寸為160nm的純硅納米顆粒的共振光譜可見，電偶極子（紅線）和磁偶極子（藍(lán)線）模式之間的光譜重疊導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)純磁場分量的探測。近年來物理學(xué)領(lǐng)域開展的關(guān)于anapole模式的研究為此提供了一個(gè)解決思路[29]。利用環(huán)形偶極子與電偶極子在遠(yuǎn)場輻射完全相同的特點(diǎn)，在顆粒內(nèi)部構(gòu)造振動幅度相等、振動相位相反的anapole共振模式，以達(dá)到無電偶極輻射的要求。具體到本課題，利用球殼結(jié)構(gòu)納米顆粒來實(shí)現(xiàn)可見光頻段的anapole模式共振。銀核的半徑固定在100nm，圖11（c）～（d）分別為不同硅殼厚度的電、磁分量散射光譜，顯示不同硅殼厚度的散射光譜，其中白色虛線對應(yīng)25nm的硅殼厚度，并在圖11（e）中展示了多極子分解的振動模式，當(dāng)入射光為633nm時(shí)（綠色標(biāo)識的波長范圍內(nèi)），磁偶極子共振峰的位置剛好和anapole模式重合，此時(shí)幾乎沒有電場響應(yīng)，并伴隨較強(qiáng)烈的磁偶極共振。圖11（e）顯示了anapole共振模式，即電偶極子和環(huán)形偶極子模式振蕩幅值相等，相位相反，導(dǎo)致干涉相消。以上在理論上證明了球殼結(jié)構(gòu)顆粒設(shè)計(jì)可以用于光頻磁場的探測，且能完全避免電場散射的干擾。

圖12（a）～（c）是用此球殼結(jié)構(gòu)納米顆粒掃描角向偏振（AP）、圓偏振（CP）以及線偏振（LP）光束激發(fā)下的近場光場強(qiáng)度分布，與圖12（d）～（f）顯示的面內(nèi)磁場分量的計(jì)算結(jié)果，證明此方法對近場光場的面內(nèi)磁場分量有非常精確的表征能力。

以上介紹了通過納米顆粒材料的選擇、構(gòu)型和尺寸的設(shè)計(jì)，可以選擇性地對近場光場不同分量進(jìn)行精確表征，為近場光學(xué)領(lǐng)域提供了一種高效的研究手段。

2表面等離激元耦合發(fā)射對緊聚焦光場的表征

在弱聚焦情況下，光是橫波，其偏振方向垂直于傳播方向。然而當(dāng)光通過特殊透鏡（如高數(shù)值孔徑物鏡等）緊聚焦時(shí)，會發(fā)生大角度偏折，產(chǎn)生面外偏振。需要指出的是，這種面外偏振、以及軌道自旋耦合等特殊現(xiàn)象僅發(fā)生在焦點(diǎn)附近，這與界面處激發(fā)的近場光場特性非常相似。下文將使用納米顆粒?波導(dǎo)聯(lián)合結(jié)構(gòu)對緊聚焦光束進(jìn)行表征。如圖13所示，激光被高數(shù)值孔徑物鏡緊聚焦，納米顆粒?波導(dǎo)結(jié)構(gòu)膜作為探針放置于緊聚焦焦點(diǎn)附近，納米顆粒散射聚焦光場，其中與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)波矢匹配的光被耦合進(jìn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)后再次從油浸物鏡一端發(fā)射出來，在這一端的遠(yuǎn)場收集。通過納米顆粒?波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的掃描，得到緊聚焦光場分布。在以上過程中，因其中波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以SPP金屬波導(dǎo)為主，所以被稱為表面等離激元耦合發(fā)射（surface plasmon-coupled emission，SPCE）[30]。

2.1金屬顆粒對緊聚焦光場的表征

由于銀、金納米顆粒對聚焦場的共振響應(yīng)不同，在聚焦光束下掃描時(shí)會產(chǎn)生不一樣的映射。如圖14（b）～（c）所示，從兩種顆粒–銀膜結(jié)構(gòu)的共振光譜計(jì)算結(jié)果可見，當(dāng)入射光為532nm時(shí)，銀顆粒–銀膜結(jié)構(gòu)對面外分量更敏感，而金顆粒?銀膜結(jié)構(gòu)對面內(nèi)分量和面外分量的收集效率相近。在實(shí)驗(yàn)中，將銀和金納米顆粒同時(shí)放置在薄銀膜之上，如圖14（a）所示，當(dāng)線偏振光作為激發(fā)光時(shí)得到的掃描圖案見圖14（d），銀顆粒的對應(yīng)的隨偏振方向排布的兩個(gè)光斑，與圖14（e）中計(jì)算得到的面外分量強(qiáng)度分布吻合；金顆粒的掃描圖案與圖14（f）中計(jì)算得到的面內(nèi)分量強(qiáng)度分布吻合，證明銀顆粒?銀膜結(jié)構(gòu)可以對面外電場分量表征，而金顆粒?銀膜結(jié)構(gòu)可以對面內(nèi)電場分量表征。

2.2雙模波導(dǎo)探針同時(shí)表征三種正交偏振

在研究顆粒與光場的響應(yīng)基礎(chǔ)上，再充分利用波導(dǎo)基底模式支持特性可以為聚焦場表征提供一個(gè)新的自由度?；谶@個(gè)思想，通過精心設(shè)計(jì)基底結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多種表征功能。使用氧化鋁?金結(jié)構(gòu)的雙模波導(dǎo)探針，該波導(dǎo)的設(shè)計(jì)同時(shí)支持橫電（TE）和橫磁（TM）模式[31]。如圖15（a）～（b）所示，當(dāng)激光緊聚焦在PS顆粒上，散射光滿足波導(dǎo)波矢匹配條件的部分耦合進(jìn)入波導(dǎo)，并在波導(dǎo)薄膜激發(fā)角輻射進(jìn)入波導(dǎo)下方的油浸物鏡一側(cè)，類似于SPCE的命名方式，稱這個(gè)現(xiàn)象為波導(dǎo)模式耦合輻射（waveguide mode coupled emission，WMCE）。因波導(dǎo)同時(shí)支持TM和TE兩種模式，所以下方共有兩套輻射亮環(huán)分布在NAgt;1的范圍，同時(shí)NAlt;1的范圍內(nèi)是是透射光斑，如圖15（h）。所以此方法可以把入射光和探測信號自然分離開，從而有較高的信噪比和探測自由度。圖15（c）為計(jì)算得到的波導(dǎo)支持的TM和TE模式的透射系數(shù)。圖15（d）～（g）分別給出了x、y、z取向以及圓極化電偶極子透過此波導(dǎo)后再收集物鏡后焦面的輻射環(huán)。其中，x、y取向的電偶極子的遠(yuǎn)場輻射同時(shí)到達(dá)TM、TE環(huán)，而TM模式z取向電偶極子只有TM環(huán)的遠(yuǎn)場輻射。所有的電場均通過顆粒由這幾種偶極輻射組合在后焦面處，所以通過圖15（h）標(biāo)注的幾個(gè)位置的相對強(qiáng)度和對應(yīng)關(guān)系即可同時(shí)重構(gòu)出聚焦場的x，y，z3個(gè)電場分量。圖16（a）為其測量的角向偏振光的3個(gè)分量，與圖16（b）的計(jì)算結(jié)果高度吻合，沒有面外分量；圖16（c）～（d）為其測量的徑向偏振光的3個(gè)分量，與圖16（d）的計(jì)算結(jié)果高度吻合，面外分量占主導(dǎo)地位。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了此方法的精確性和高效性。

2.3波導(dǎo)結(jié)構(gòu)調(diào)制對磁場分量的選擇性提取

針對緊聚焦磁場分量的表征，采用硅納米顆粒結(jié)合氧化鋁?金波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法。氧化鋁?金結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)襯底的存在會影響硅顆粒的散射特性，圖17（b）～（e）顯示計(jì)算的不同入射情況下的WMCE輻射譜。其中圖17（b）～（c）是對應(yīng)于面內(nèi)、面外磁場分量在TE型波導(dǎo)的結(jié)果，圖17（c）～（e）是對應(yīng)于面內(nèi)、面外磁場分量在TM型波導(dǎo)的結(jié)果。進(jìn)一步采用磁偶極子模型來模擬不同極化情況膜結(jié)構(gòu)襯底對耦合輻射的影響，在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面分別放置水平、垂直和自旋的磁偶極子模擬計(jì)算產(chǎn)生WMCE的遠(yuǎn)場傅里葉域輻射圖，如圖17（a）所示。圖17（f）～（g）中面內(nèi)偶極子引起的WMCE被TE型波導(dǎo)強(qiáng)烈抑制，而高效地耦合到TM型波導(dǎo)；圖17（h）～（i）中面外偶極子的情況正好相反。垂直旋轉(zhuǎn)偶極子在TE型波導(dǎo)上引起的WMCE呈現(xiàn)特定的單向性，如圖17（j）所示，通過改變兩偶極子的振幅比可以優(yōu)化消光比。與先前報(bào)道[32]的相比，這是光學(xué)自旋霍爾效應(yīng)在磁偶極子與TE型波導(dǎo)耦合方面的另一種表現(xiàn)。然而，在TM型波導(dǎo)上的旋轉(zhuǎn)磁偶極子，如圖17（k）所示則沒有觀察到這種現(xiàn)象，這是因?yàn)榇怪闭駝拥拇排紭O子耦合到TM型波導(dǎo)的效率非常低，如圖17（i）所示。綜上所述，不同極化方向的磁偶極子對于TE型和TM型波導(dǎo)的耦合效率變化很大，并且表現(xiàn)出很強(qiáng)的偏振依賴性。

實(shí)驗(yàn)上，將直徑為170nm的硅顆粒固定在TE型和TM型波導(dǎo)上，掃描出緊聚焦角向偏振光APB的強(qiáng)度分布圖。圖18（a）～（b）計(jì)算了兩種不同基底以及橫向和縱向磁場分量的WMCE效率。對于633nm的光波長（綠色虛線），圖18（a）中可見TE型結(jié)構(gòu)明顯對縱向磁場更敏感，而圖18（b）中的TM型結(jié)構(gòu)對橫向磁場更敏感。利用兩種模式的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，分別獲得了聚焦APB的面內(nèi)和面外磁場強(qiáng)度分布如圖18（c）～（d）所示，與圖18（e）～（f）的理論計(jì)算結(jié)果吻合。

3國內(nèi)外基于納米顆粒的近場表征技術(shù)

除了本課題組，德國的GerdLeuchs教授和PeterBanzer教授的課題組也長期致力于基于納米顆粒的光場表征技術(shù)。2014年他們提出利用金納米顆粒作為近場耦合探針，通過一套共聚焦系統(tǒng)，將聚焦光場的近場信息耦合到信號收集物鏡的后焦面，利用對后焦面光強(qiáng)分布的進(jìn)一步計(jì)算，重構(gòu)出顆粒的散射場，從而倒推出入射光場的分布[34]，如圖19（a）。這種方法第一次實(shí)現(xiàn)了近場光場的全部矢量信息和相位獲取，該方法的核心是基于Mie散射理論的重構(gòu)算法。在此工作基礎(chǔ)上，該課題組在2015年和2018年分別實(shí)現(xiàn)了聚焦矢量光場電場分量的橫向自旋表征以及電磁場橫向自旋的同時(shí)表征[35-36]，如圖19（b）。此外，利用硅納米顆粒的磁場響應(yīng)特性，清華大學(xué)的白本鋒教授課題組在2018年提出將硅納米顆粒組裝到光纖端面進(jìn)行TE模式的倏逝波進(jìn)行了磁場分量的表征[37]，如圖19（c）。并進(jìn)一步從理論上解釋了開口環(huán)形探針和硅納米顆粒探針在成像原理上的區(qū)別[38]。白教授的工作為納米顆粒作為近場探針的一種形式提供了理論依據(jù)，并指明了拓展納米顆粒近場探針使用場景的方向。

4總結(jié)與展望

本文詳細(xì)介紹了利用納米顆粒作為近場探針的一系列工作，做到了對近場光場多分量的表征。作為一種特殊的散射式近場探針，可以充分利用米散射理論和方向性輻射，通過精心設(shè)計(jì)納米顆粒的尺寸、材料以及波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對SPP光場、緊聚焦光場的高精度表征，總結(jié)見表1。納米顆粒的近場表征技術(shù)展現(xiàn)出對諸多近場光場獨(dú)有現(xiàn)象的表征能力，包括利用金屬、高折射率介質(zhì)顆粒對緊聚焦光場的電場、磁場分量的自旋?軌道轉(zhuǎn)化過程的表征[2，22，27，39]；以及利用納米顆粒作為近場探針，并結(jié)合自制的自旋分辨近場掃描光學(xué)顯微鏡實(shí)現(xiàn)對光頻電場、磁場構(gòu)成的斯格明子、半子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜自旋分布的表征[28，40-47]?；诩{米顆粒的近場表征技術(shù)對近場光場多參量的表征能力是目前近場光學(xué)顯微技術(shù)所不具備的優(yōu)勢。其探針易于制備，較簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為近場光學(xué)領(lǐng)域的研究提供了一種高效的研究工具。在未來，一方面計(jì)劃繼續(xù)探索對近場光場的相位乃至能流的探測能力，另一方面計(jì)劃探索把納米顆粒和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)集成到光纖端面構(gòu)造適用范圍更加廣泛的探針，從而實(shí)現(xiàn)對人工微結(jié)構(gòu)等復(fù)雜表面的局域近場光的探測。