在纳米光学研究中，等离激元纳米天线因其独特的光场调控能力而备受关注。然而，如何精度测量其近场光学特性，尤其是光谱和偏振信息，一直是实验挑战。近日，复旦大学物理系陶镇生课题组和光子晶体课题组合作提出了一种基于非线性光学的全新近场成像方法，通过简并四波混频（Degenerate Four-Wave Mixing, DFWM）技术，实现对等离激元纳米天线的光谱与偏振分辨近场成像。研究成果不仅实现了金属纳米天线光场调控效应的高精度近场成像，还揭示了纳米天线局域场的频域调制及超快动力学特性，为纳米光学器件设计和等离激元增强非线性光学应用提供了重要指导。相关成果以“Spectrum and Polarization-Resolved Nonlinear Optical Near-Field Imaging of Plasmonic Nanoantennas”为题发表在Nano Letters上。
等离激元纳米天线基于表面等离子共振将电磁能量局域于亚波长尺度，并显著增强局域光场。这种增强效应已广泛应用于超分辨光学成像、非线性光学转换、光学天线及量子光学等前沿领域。然而，由于局域场尺度极小、响应高度依赖于偏振和频率，准确测量其空间分布仍面临挑战。
传统的扫描近场光学显微镜可用于探测纳米尺度的光场分布，但受限于探针效应，易对局域场造成干扰，从而影响测量精度。此外，电子能量损失谱虽可解析局域场信息，但其高真空工作环境限制了样品的选择范围。相比之下，利用外部探测光脉冲激发增强的等离激元近场，并分析其非线性光学响应，为近场成像提供了一种有前景的替代方案。非线性混频过程所固有的偏振敏感性，以及可同时获取的光谱信息，使得该方法能够提供关于等离激元近场的完整矢量信息。然而，目前在这一方向上的研究仍较为有限。
该研究提出了一种基于简并四波混频的非线性光学近场成像方法，通过中红外泵浦和近红外探测，实现对金纳米天线的高分辨率成像。在实验中，中红外激发产生的近场穿透至硅基底，并通过DFWM过程进行探测，实现了偏振选择性近场增强的直接观测。图1a为金纳米天线阵列的扫描电子显微图。实验测得的x偏振和y偏振近场分布如图1c所示，相应的模拟结果如图1d所示。实验结果表明，x偏振分量主要集中在纳米天线的两端，而y偏振分量则出现在天线的四个角上。这种特定的偏振模式来源于天线结构的各向异性及其对共振模式的选择性耦合，直接展示了等离激元纳米结构对偏振场的精确调控能力，为偏振敏感纳米光子器件的设计提供了实验依据。
图3. (a) 沿图1c所示轨迹的金纳米天线近场模拟时间轨迹。(b) 提取的近场时间轨迹，包括共振中心位置（y = 0）、非共振区域（y = 2.5 μm）以及硅膜上的参考信号。
