基于远场超分辨成像的纳米光场探测

The sub-wavelength scale control of optical field is one of the most important area for nanophotonics research. It plays an important role in the studies of fundamental science and application, such as integrated photonics, biophotonics, quantum information and new energy. The mapping of nanoscale optical field is necessary for optical field manipulation and light-matter interaction research. However, due to the diffraction limit, the traditional optical far-field microscopy can't be used to detect the optical field at nanoscale. In recent years, many optical far-field superresolution microscopies have been developed. It is possible to detect the optical field with sub-diffraction limit resolution using optical far-field superresolution microscopy. And this method should have the advantages of simplicity and low disturbing. In this project, we plan to use the nitrogen vacancy center in diamond as light field probe, combining with the superresolution microscopy, to detect the light field with high spatial resolution. Subsequently, we will study the surface plasmon and optothermal effect of nano-structures with resolution of 50 nanometers. Through this project, it can help us to further study the applications of nanophotonics and quantum sensing.

微纳光场的调控是光学研究的一个重要内容，在光子集成芯片、生物光子学、量子信息、新能源等方面的应用中有重要的意义。而对纳米光场的有效测量是提高光场操控能力和研究光与物质相互作用的必要手段。由于衍射极限的限制，通过传统的光学显微技术难以对纳米尺度光场进行有效的表征。近年来，多种突破衍射极限的光学远场超分辨成像方法得到发展。使用远场超分辨成像技术对光场进行超衍射极限的探测成为了一种可能。这种方法具有装置简单、对待测场干扰性低等优点。在本项目中，我们拟使用金刚石中的氮-空位色心作为近场光学探针，通过氮-空位色心的光学远场超分辨成像技术，对纳米尺度的光场进行高空间分辨率、多参数、低干扰的探测。在此基础上，结合氮-空位色心的光学传感技术，在50纳米分辨率下研究光与物质的相互作用，如光热、光磁、光电效应等物理现象。通过该项目的研究，能够帮助我们在纳米光子学和光学传感的应用研究中得到发展。

在亚波长尺度对电磁场与物质相互作用的调制与探测是纳米光学、纳米电子学、生物传感等研究的重要手段和主要内容。在实验上对光场及光与物质相互作用的高空间分辨率探测对提高光场操控能力、优化纳米光电器件性能有巨大帮助，对发现纳米尺度下的新现象、探索新物理机制、发展新的信息处理技术有重要意义。.本项目发展针对金刚石中发光缺陷的光学超分辨成像技术，并通过发光缺陷对电磁场的传感，实现对光场、微波场等电磁场的高空间分辨率测量，进一步研究纳米尺度下的电磁场与物质相互作用。按照计划，项目进行了如下的研究：.1，金刚石中发光缺陷的制备与操控。我们研究了高剂量氮离子注入制备高密度氮-空位色心的技术，获得密度达到10^3/um^2氮-空位色心；研究了时间滤波技术对氮-空位色心自旋的探测，将自旋共振信号的对比度提高近2倍。.2，金刚石氮-空位色心的超分辨光学成像。优化了电荷态耗尽成像技术，利用低频率脉冲光泵浦，将成像中的激光功率降低4倍，在1毫瓦功率实现14纳米分辨率成像，并将该技术用于生物细胞中的纳米金刚石成像；利用反常饱和效应中的非线性光与物质相互作用，发展了反常饱和激发成像，将共聚焦成像的分辨率提升1.5倍；研究了电荷态耗尽与受激辐射耗尽竞争下的超分辨成像。.3，高空间分辨率的电磁场测量及电磁场与物质相互作用测量。结合氮-空位色心的荧光寿命测量等技术，对纳米光场进行了50纳米分辨率测量，研究了单根银纳米线与银纳米线对的局域光场态密度，发现两者的局域光场调制的不同模式；结合氮-空位色心自旋探测，对一维纳米导电材料传输的微波场进行测量，观察到微波场被局域在10^-6波长尺度，与物质的相互作用增强10^4量级。.通过本项目的研究，我们掌握了基于固态发光缺陷的超分辨成像技术，探索了高分辨率传感技术，项目成果有望用于集成光电芯片的检测、生物样品成像、新材料表征等应用，发展高分辨率多功能的显微术。