纳米颗粒-多层膜结构的电磁耦合及近场光场多参量表征技术研究

With the development of optical field modulation technique, some novel light fields with fine spatial structure have been generated and widely used in nano-photonics. The characterization of near-field light field for investigating optical properties of novel spatial light field can not only deepen the understanding of its physical essence, but also further promote its application. However, the traditional tool for studying near-field optical field, near-field optical scanning microscopy, faces many challenges in obtaining complex and diverse optical information of new spatial light field, e.g magnetic field component measurement, polarization distribution measurement, spin characterization, etc. In order to solve these problems, the multi-parameter characterization of near-field light field is proposed by employing the electromagnetic coupling between nanoparticles and multilayers. By flexibly selecting nanoparticles, the near-field coupling of the electric and magnetic components of the light field is realized, and the polarization separation and extraction are also realized through the multi-layered structure. On this basis, the spin characteristics of the light field are characterized. The near-field optical field characterization technique is of multi-parameter characterization and high accuracy, and has great application prospects in the areas of optical field modulation, near-field spin photonics, super-resolution imaging, etc..

随着光场调控技术的发展，一些具有精细空间结构的新型空间光场相继产生，并在纳米光子学各领域研究中得到广泛应用。针对新型空间光场光学特性研究的近场光场表征既能加深对其物理本质的认识又能进一步促进其应用。然而，传统的近场光场研究工具-近场光学扫描显微镜在对新型空间光场复杂多样的光学信息获取上面临许多挑战，例如光场的磁场分量测量、偏振分布测量、自旋特性表征等。本项目针对这些问题提出利用纳米颗粒-多层膜结构的电磁耦合实现近场光场的多参量表征。通过灵活选择纳米颗粒实现光场的电场和磁场分量的近场耦合、采用多层膜结构实现偏振分离提取，并在此基础上实现光场的自旋特性表征。这种近场光场表征技术具有多参量、高精度等优势，在光场调控、近场自旋光子学、超分辨显微成像等领域具有重大的应用前景。

日益发展的光场调控技术为研究微观尺度下光场特性、材料特性、光与物质相互作用提供了坚实基础。相较于自由空间，针对倏逝波、聚焦场的光场调控能够产生出小尺寸、高局域特性、强矢量特性的特殊光场，研究该类光场的振幅、相位、偏振以及角动量等物理参量，一方面可以促进对微纳尺度特殊光场物理性质的深入理解，另一方面也可促进相关应用向更小尺度和更高精度发展。对近场光场的各物理参量进行高精度表征是保证调控有效性的必要手段，也是研究光场本身物理性质的重要方法。而近场光学扫描显微镜这一研究近场光场的传统手段，主要面向光场的振幅信息进行表征或者测量，由于其探针的多种限制，它在光场的矢量特性等方面的表征上很难达到需求。为了更加深入研究近场光场的矢量特性、角动量信息等，本项目提出利用纳米颗粒-多层膜结构作为近场光学探针，通过对该结构的电磁耦合辐射特性的研究和调控，最终实现了近场光场的多参量表征。. 项目围绕纳米颗粒的电磁共振特性、多层膜结构的模式特性、纳米颗粒-多层膜结构的电磁耦合辐射特性的相关理论研究，以及基于纳米颗粒-多层膜结构的近场光场矢量特性和自旋特性实验研究展开。建立了纳米颗粒-多层膜结构耦合辐射特性的理论模型，明确了该结构的电场响应、磁场响应以及两类分量的偏振响应，实验上成功实现了聚焦矢量光场的电场全矢量表征、磁场偏振分离以及横向分量的高精度表征，此外依托纳米颗粒-多层膜结构的电磁耦合的调控，项目还实现了对光场的电场分量、磁场分量的精细自旋角动量拓扑结构的表征，于国际上首次通过入射光对称性调控实现了光学自旋斯格明子阵列以及半子阵列的产生和表征。该项目所形成的光场表征方案可以更进一步应用到光场调控、近场自旋光子学、超材料超表面等研究领域。