单个等离子体纳米结构远场的量化

精确控制单个金属和介电散射体的共振是纳米光子学的重要基础，单个金属和介电散射体还是纳米光子学器件(如超表面和纳米天线)的基本构建元素。基础物理学中亚波长几何裁剪控制着纳米结构散射的近场多极共振，反之，又允许精确地操纵散射到远场的光的振幅、相位和偏振。在过去的几十年研究过程中，实现了等离子体纳米天线，可以调整散射和荧光的指向性和极化，甚至可以降低到单光子源的水平。此外，基于金属和介电纳米谐振器的超表面实现了对发射波阵面的相位、振幅、自旋和轨道角动量的近似任意控制。

尽管成功的设计需要精确地理解纳米物体所支持的多极共振的类型，复杂叠加的激发，以及它们如何辐射到远场。原则上，测量纳米天线的4π远场辐射图中的每个角度光的全极化、幅度和相位，能够在其局部诱导的多极内容中完全分解天线的响应（如图1）。因此，在所有角度下测量全场辐射图，可以实现完整的纳米天线极化层析成像。

图1 单纳米天线辐射概念图。单纳米天线辐射出具有特征相位剖面以及振幅和极化的球形波。在显微镜物镜的后焦平面上，这个球面波被转换成平面波。在所有角度测量光的振幅、偏振和相位，可以详细重建天线物理。

研究人员提出的新技术是基于傅里叶显微镜、偏振测量和数字全息技术的组合，用于表征单个纳米散射体的散射辐射图，包括振幅、矢量和相位。这一组合装置由透射显微镜、两个偏振计和一根参考光束组成，主要包括He-Ne激光源(λ= 633nm)、X100物镜(尼康，NA = 0.9)，20cm管透镜和CCD相机。另外，这台显微镜装有一个光学4f系统，用于对单天线光进行空间滤波。光通过傅立叶透镜(f = 200mm)，其焦点位于显微镜物镜的后焦平面上，样品的傅立叶平面投影到CCD相机上。

理论上，这种技术甚至可以在单镜头拍摄的情况下使用，因为离轴全息术只需要一张图像，而且偏振可以多路复用。作为一个应用实例，分析了等离子体螺旋散射光的轨道角动量（OAM），说明了该技术对光学天线研究的重大意义。相比之下，与其他OAM测量技术相比，傅里叶显微镜、偏振测量和数字全息技术相组合的检测技术不需要使用螺旋相位板或全息图，只需一张图像就可以直接分解OAM。显微镜物镜的数值孔径NA限制了这一技术的应用。

将4π显微镜应用到这一技术，可以使用其远场实现对任何散射的多极内容的完全量化。所提出的方法将直接应用于纳米光子学中的许多重要问题的探索。例如，使用等离子体低聚物天线进行传感和发射，用于控制依赖于入射振幅、相位和矢量的透射、反射波振面，以及非线性超表面，刻在超表面几何结构的相位梯度，决定效率和角度分布。在所有这些应用中，获得远场的角度幅度、偏振和相位特性至关重要。

a，实验装置示意图；

b，等离子体螺旋天线纳米结构图，从玻璃侧面照射的光激发了厚金属膜中的单孔，由空气侧的孔发射的SPP在螺旋波纹处散开；

c，m =−5螺旋天线的扫描电子显微镜图。

a，傅里叶显微镜记录的m = -5螺旋纳米结构的完全量化天线辐射方向图；

b，极化椭圆参数ε和α；

c，用RHC（右手圆偏振）偏振检测获得的数字傅里叶变换干涉图；

d，重建相位曲线，用于RHC（右手圆偏振）和LHC（左手圆偏振）偏振检测。

a，c和b，d分别对应在靶心的傅里叶平面（m = 0）和m = -3，-6，-9螺旋中测量得到的和模拟得到的复杂场分布。

a，具有RHC（右手圆偏振）输入和LHC（左手圆偏振）输出的m =-5螺旋的OAM功率谱；

b-d，OAM功率谱与共极化（b）和交叉极化（c，d）中m的函数关系。

a，使用偏振测量和全息术得到的垂直和水平输出偏振的相位剖面之间的差异；

b，具有RHC偏振输出的相位图。