表面光场调控研究取得新进展 [2017-09-22]

    近日，中国科学技术大学物理学院光学与光学工程系、光电子科学与技术安徽省重点实验室明海、王沛教授领导的微纳光学与技术研究组张斗国副教授，与美国马里兰大学医学院J. R. Lakowicz教授，浙江大学刘旭教授，匡翠方教授，许迎科博士等合作，在液体环境中实现了动态、可重构的表面光场。研究成果以“Silver Nanowires for Reconfigurable Bloch Surface Waves” 为题，在线发表于国际知名学术期刊ACS Nano。张斗国为本文通讯作者。
 　　对新型空间结构光场的认知、探索与调控是当前光学与光学工程及相关学科的前沿研究热点之一，而表面光场的调控是其重要分支之一：其内涵是对传播或局域于二维表面的光场（如金属薄膜表面等离激元，介质薄膜布洛赫表面波等）进行振幅、相位、偏振等物理量的调制，获得特定二维空间分布的表面结构光场。此类表面结构光场对于研究界面或表面处光与物质相互作用的物理机理及相关光学技术（如显微成像和高灵敏度探测技术）研发具有重要的应用价值。目前调控表面光场的主要手段是在表面加工特定的微纳结构，来实现表面光场的激发、传输与空间分布的调制。这种微纳结构的位置与空间分布一般都难以动态改变，因而产生的表面光场也是固定的空间分布，难以进行动态调控。
 　　基于此，我们首次将易于合成与操控的银纳米线做为远-近场耦合器件：介质多层膜表面上的银纳米线(图a)，可将空间光调制器整形获得的自由空间三维结构光场耦合转换为二维布洛赫表面结构光场。空间光调制器对入射光场的调控是基于加载的位相图，它可动态、实时调节入射光场特性，由此可实现动态、可重构的表面结构光场。如图所示(b-e)，无需改变任何样品结构参数，仅仅通过改变加载在空间光调制器上的相位图像，我们实现了布洛赫表面光波传播方向的动态调控，实验中也同时实现了表面光束的宽度、发散角、传播距离等其他参量的动态调控。值得指出的是，湿化学方法合成的银纳米线通常被用作纳米光波导器件。本工作中，我们拓宽了银纳米线的应用范围，即作为耦合器件，将远场光波转化为近场光波。其优势在于，银纳米线的空间位置和弯曲形状可以通过微纳探针进行控制。通过调节银纳米线在样品表面的位置，可在任意所需区域实现表面结构光场；同时理论计算和实验结果表明，通过控制银纳米线的弯曲，可以实现表面光场的聚焦与发散，且焦距可调；由此可发展出各种片上集成表面光学器件。
 　　该工作所涉及的光学测试与表征均在本课题组自主搭建的光学仪器（泄漏辐射显微镜）上完成。相关工作得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省杰出青年基金等项目经费的支持；相关样品制作工艺得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心的仪器与技术支持。

　　图：(a) 基于银纳米线的布洛赫表面光场生成示意图，(b) ,(d)加载在空间光调制器上的相位分布图及其对应的布洛赫表面波传输图像(c), (d)。通过改变加载在空间光调制器上的相位图，实现布洛赫表面光场的动态、可重构调控。

　　论文链接：http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.7b05638