基于扫描近场光学显微镜的纳米光场多参数测量仪器系统

Multi-parameter measuring instrument of nano-optical field is the key technological equipment to promote the plasmonics and nanophotonics research. This application intends to study the new principles, new methods and new technologies for the multi-parameter measurement in nano-optical fields and to build the measuring systems based on the near-field optical principles and methods. It includes the theoretical research on the interaction between the probe and the optical field, the establishment of the multi-parameter illumination and detection platform with adjustable incident angle, polarization, wavelength of illumination, tip heterodyne interferometer, asymmetric optical antenna probes, polarization-sensitive probe, tip polarization vector detection, detection of intensity, amplitude, phase, polarization, field vector, electromagnetic fields, spectra in nano-optical fields, and establish of a multi-function measuring system. The research will extend the function of existing near-field optical microscopy system from simple super-resolution imaging to nano-optical field multi-parameter measurement, from the intensity distribution detection to the phase distribution detection, from the 2D detection to the 3D detection, from the field scalar measurements to the field vector measurements. The research is of basis, provident and practicality. It includes basic science issues and development of measuring instrumentation. The instrument system will become an important equipment in the field of nanophotonics and plasmonics with wide application prospects.

纳米光场多参数测量仪器是推动等离激元光学和纳米光子学研究的关键实验技术设备。本申请基于近场光学原理和方法，研究纳米光场多参数测量的新原理、新方法和新技术，建立测量仪器系统。研究包括：探针与光场相互作用的理论分析；多参量照明与探测平台，具有入射角度、偏振态、波长等多参数可调系统；针尖外差干涉、非对称光学天线探针、偏振敏感探针、针尖偏振矢量检测；纳米光场强度、振幅、相位、偏振、光场矢量、电磁场、光谱等探测；建立多功能测量仪器系统。这项研究将现有的近场光学显微系统的测量功能从单纯的超分辨成像扩展到纳米光场多参数测量，从强度分布探测扩展到相位分布探测，从2D光场探测扩展到3D光场探测，从光场标量探测扩展到光场矢量测量。本课题的研究具有基础性、前瞻性、实用性，既有对基础科学问题的探索，又有测量仪器的研发，这个仪器系统将成为纳米光子学研究的重要实验测量设备，具有广阔的应用前景。

基于扫描近场光学显微镜(SNOM)的纳米光场多参数测量仪器是纳米光子学研究的关键实验技术设备。本项目以近场光学原理为基础，建立了纳米光学多参数测量仪器系统，测量的物理量包括，纳米光场中的光强、振幅、相位、矢量场、光频磁场和光谱等。.推导出近场光学互易定理在圆偏振正交基的展开形式，可精确描述探针近场探测过程，为实现对纳米光场的手性探测提供了基础；在微扰近似条件下，具有卷积近似形式，表明探针决定了近场探测的矢量响应特性。.建立了外差干涉相位/振幅测量系统，实现了纳米光场可见光波段相位/振幅Mapping测量。建立了具有实时相位误差补偿功能的相位测量系统，减小了漂移影响，相位测量精度达到7.63°，相位漂移速率达到0.04°/s。对多种纳米光学器件Mapping测量，获得了相位/振幅分布数据，为分析其光学性能和实现相位调控、深入研究光与纳米结构的相互作用提供了重要手段。基于探针外差干涉和正交偏振检测技术建立了纳米光学矢量场测量系统，实现了三维空间层析测量，精度优于λ/10。实现了收集/散射双模式，可同时测量面内和纵向分量的光强；空间分辨率达到15nm，偏振分辨率优于10°。首次实现了对超构表面光学天线结构的涡旋光场的矢量测量。为进一步研究光场与手性结构相互作用、光子自旋角动量与轨道角动量耦合作用提供了重要测量手段。研究了纳米硅球功能探针对可见光波段光频磁场的测量方法。利用暗场微区光谱特定磁偶极共振峰方法选取硅球，制成纳米硅球功能探针。利用矢量敏感的散射型SNOM系统获取了TE模式隐失驻波场的光频磁场分布数据。.本项目的研究成果超越了超分辨光学成像，进入到纳米光学物理参数测量，从二维扩展到三维光场测量，从标量扩展到光场矢量测量，提供了物理量变化的可视化图像。本仪器将成为纳米光子学研究的重要测量设备，具有广阔的应用前景。.预期研究目标和技术指标已全部实现。发表SCI收录的学术论文20篇，正式出版学术专著1部，获国家发明专利授权1项，申请2项，培养博士6名。