基于超构表面的光子自旋-轨道相互作用及其近场表征研究

Photonic spin-orbit interaction describes the interaction between spin angular momentum and orbital angular momentum carried by light in inhomogeneous medium, which is a frontier research field in nanophotonics. Metasurfaces are two-dimensional artificial electromagnetic surfaces with extraordinary physical properties produced by special structural designs, which can be used to enhance or manipulate the spin-orbit interaction of light in mesoscopic scale. Based on the research progress of our previous work, this project aims to study photonic spin-orbit interaction generated by metasurfaces and directly characterize the interaction in optical near field by using scanning near-field optical microscopy. The main research topics and the key scientific issues in this project are as follows. By studying the interaction mechanism between metasurfaces and vectorial optical field, we design metasurfaces that can notably enhance or manipulate photonic spin-orbit interaction. By incorporating nano-antenna into near-field scanning probe, we aim to develop several novel functional nano-probes with new noise-suppression technology, which are essential for the multi-parameter measurement in near field, including the amplitude, phase, helicity, polarization, and optical magnetism of the near field. These will form solid basis for the accurate characterization of the spin-orbit interaction in near field. Furthermore, by applying and studying the derivatives of reciprocity theorem in near field, we will further explore the mechanism of near-field measurement based on scanning probes, so as to better analyze and explain the characterization results quantitatively.

光子自旋-轨道相互作用是在非同质媒介中光子的自旋角动量与光束传播及空间分布的轨道角动量间的相互作用，是当前纳米光学的前沿研究领域。超构表面是通过人工结构设计而具有超常物理特性的二维电磁表面，可以增强或操控光子自旋-轨道作用。本项目在课题组的前期研究基础上，研究利用超构表面操纵光子自旋-轨道作用的机理，并采用扫描近场光学显微系统和方法直接在介观尺度上对其进行表征测量。主要研究内容和拟解决的关键科学问题包括：研究超构表面与矢量光场的相互作用机理，设计可显著增强光子自旋-轨道作用的超构表面；将纳米天线与近场扫描探针结合，研发新型功能探针以及近场探测降噪技术，实现对光学近场的振幅、相位、旋性、偏振、磁场等多参数测量，从而对光子自旋-轨道作用进行测量表征；基于近场光学的互易定理，深入研究其衍生形式及近似形式，探索扫描探针的近场测量机理以实现对表征结果进行定量分析和解释。

光子自旋-轨道相互作用是在非同质媒介中光的自旋角动量与轨道角动量的相互作用，是当前纳米光学的前沿研究领域，为纳米光学功能器件的设计以及纳米尺度光与物质相互作用的调控提供了新的范式。本课题研究利用超构表面操控光子自旋-轨道作用的机理，并采用扫描近场光学显微系统和方法直接在介观尺度上对其进行测量表征。经过四年的努力探索，不仅圆满完成了原定的研究计划，达到了预期的研究目标，还通过对几个关键科学问题深化研究、扩展应用，超额完成了研究任务。主要研究成果归纳为以下五个方面：研究了可调控光子自旋-轨道作用的超构表面，包括对超构表面的色散和效率进行调控，提出具有主动调控特性的超构表面、可生成任意拓扑荷数涡旋光束的几何相位超构表面、基于高度旋转对称纳米结构与手性光场的相互作用高效产生纳米涡旋光束及其阵列、产生高阶自旋-轨道相互作用的超构表面、基于超构表面空间频率域光场调控的光学成像等；研究了基于扫描探针的光子自旋-轨道作用近场表征技术，开发了相关测量原理和方法，构建了一套光场旋性及相位分辨的扫描近场光学显微系统，可对光子自旋-轨道作用中的几何相位及拓扑荷数等关键特征量进行直接测量；利用建立的仪器系统，对若干功能器件中的光子自旋-轨道作用、非线性效应、自发辐射等进行了多参数测量表征；开展扫描探针的近场有扰动测量机理研究，建立了基于电磁学互易定理的近场光学成像理论及模型，指导纳米功能探针的设计；研究了纳米颗粒自发辐射特性的近场调控，构筑了硅纳米球-金膜耦合结构、纳米微腔与牛眼天线复合结构等两种体系，可有效实现量子点的高亮度、高速率、高定向性的自发辐射。本项目取得了丰硕的科研成果，发表SCI论文13篇（包括影响因子10以上的高水平论文5篇），获授权发明专利3项；培养毕业博士生4人，毕业硕士生1人。