波前整形在纳米光子学中可以提供亚波长尺度上的光控制，可以在纳米级焦点之间分配功率，以改善超分辨率成像；以及通过精确寻址纳米发射器或旋转粒子来增强光与物质的相互作用。然而，这种整形在没有直接反馈的情况下会受到限制，因为利用光栅等纳米光子模式的耦合机制不会保留入射光束的波前。基于光栅扫描、后处理或大集成时间的近场成像方法能够监测由入射光束偏振或SLM形成的近场，但不能提供实时监测，例如跟踪近场的变化或修复破损或畸变波面。直接反馈只能由扰动场的散射体提供，这限制了纳米级波前整形在动态过程中的适用性
近日，以色列理工学院Guy Bartal等人提出通过实时反馈对纳米光子场进行主动控制。该研究方法由 SLM 主动控制并实时监控，这种动态控制包括以30 nm的精度将等离子体焦点平移和分裂，以及动态切换近场模式的角动量。该研究进一步展示了如何利用此功能修复和纠正被结构缺陷破坏的纳米光子图案。该研究的实时映射技术提供实时反馈机制，利用表面等离子体极化子(SPP)研究了金属的3阶非线性。
该成果发表在国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Dynamic Control and Manipulation of Near-Fields Using Direct Feedback”。以色列理工学院Jacob Kheireddine为论文第一作者， Guy Bartal为论文通讯作者。
1. 控制等离子体焦点
尽管控制单个纳米光学焦点的位置至关重要，但某些应用需要对表面上的多个焦点进行控制和操作。例如，同时动态光学捕捉多个粒子常用于DNA展开，而在纳米尺度上实现这种操作可以为这些应用开辟新的途径。在此本研究通过在SLM上叠加平移相位模式来创建实现可单独操控和旋转的焦点对。图2展示了这种焦点对的生成及其在分离度和旋转方面的操控过程。
图2. 同时操纵不同的等离子体焦点
4. 使用实时近场显微镜校正纳米光子模式作为波前整形的反馈
本研究展示了如何通过波前整形与实时近场成像的结合来纠正因生成光束的失调或耦合器及表面结构缺陷所导致的纳光子学图案损坏。为了增加波前整形的灵活性，本研究使用了圆锥透镜生成环形图案，并在该环形上编码了方位相位信息，随后测量了通过不完美光栅耦合生成的等离子体贝塞尔模式。图4(a)展示了损坏的等离子体系统。图4(b)描绘了由于耦合光栅结构缺陷造成的失真图案，显示了逆时针旋转的面内分量的近场测量，该分量对应于未编码相位的二阶贝塞尔光束。显然，未经相位校正的图案严重失真。由于结构缺陷对图案失真的具体影响尚不明确，波前整形的光束校正需要实时反馈，以便进行迭代过程并补偿失真。通过使用实时监测近场的反馈回路，能够校正光束失真并恢复二阶贝塞尔光束的形状（图4d）。
图4. 使用实时近场显微镜校正纳米光子模式作为波前整形的反馈
在纳米尺度上塑造和控制电磁场对于推进光学通信、传感和计量等领域的高效紧凑型设备至关重要，同时也有助于探索光-物质相互作用和光学非线性的基本性质。实时反馈能够提升对光的主动控制，补偿不断变化的实验条件以及固有的设备缺陷。本研究通过实时近场成像来实现纳米光子学近场的主动控制，利用远场波前整形控制表面波中的纳米光子学图案，实现了纳米尺度的近场焦点平移和分裂、近场角动量的主动切换以及通过实时反馈修正结构缺陷引起的图案损伤。该技术在纳米尺度光学操控、集成量子发射体的光学地址标定和近场自适应光学等应用中具有重大影响，并为一系列新应用开辟了道路，如光镊中的纳米粒子捕捉和操控。该方法不仅能创造独特的近场图案，还能修正和补偿由制造或光束路径中散射体引起的缺陷和相位紊乱，最终实现复杂波函数的精确生成，如未来量子计算和通信应用中的高阶角动量近场模式。此外，先进算法的实现将进一步促进更复杂近场波前的创建，提高应用的多样性并进一步拓展纳米光子学的功能。
Kher-Aldeen, J., Cohen, K., Lotan, S. et al. Dynamic control and manipulation of near-fields using direct feedback. Light Sci Appl 13, 298 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01610-2
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