华中科大实现近场超快精密测量研究进展

8月25日，《科学进展》（Science Advances）杂志在线发表了我校光电信息学院、武汉光电研究中心李培宁教授和张新亮教授团队题为“Ultrafast anisotropic dynamics of hyperbolic nanolight pulse propagation”的研究论文。

光脉冲在不同介质中的传播会产生许多新奇的物理现象与应用。在深亚波长尺度产生和操纵光脉冲，对于构建片上纳米光源、实现集成纳米光子器件的超快全光调控具有重要意义。极化激元是光与物质相互作用产生的准粒子，能将光场压缩到深亚波长尺度。脉冲光和物质相互作用所产生的极化激元脉冲，是一种存在于亚波长空间尺度（纳米）和超快时间尺度（飞秒）上的光脉冲，为纳米尺度光场的时空操控提供了新的可能。揭示极化激元脉冲的时空特性，需要对其动态传播进行高时间分辨率和高空间分辨率的成像观测，而传统的光学显微镜受限于衍射极限，难以观测纳米光脉冲的传播。

张新亮-李培宁团队发展时间分辨的超快纳米红外近场成像技术，拍摄了双曲极化激元脉冲在各向异性介质表面传播的“纳米电影”，在“二维空间+时间”的三维时空维度上精密测量和揭示了奇特的各向异性时空动力学特性。团队利用前期工作发现的双折射晶体方解石（CaCO₃）中存在低损耗传播的“幽灵”双曲极化激元（Nature2021, 596, 362），将散射式扫描近场显微镜、中红外飞秒激光光源和时域干涉法相结合，发展了一套高分辨率的时空数据采集和分析的方法，实现高精度观测和分析双曲极化激元脉冲的传播。

图1：时域干涉近场成像实验装置示意图。

实验装置如图1所示，张新亮-李培宁研究团队通过金属天线在方解石表面激发出双曲极化激元脉冲后，使用原子力显微镜针尖在方解石表面进行扫描，获得二维的近场光场分布。通过调整参考镜位置来控制信号光和参考光之间的时延，使其满足带通采样的要求。研究团队在每一个时延下扫描出一张“纳米光”传播的二维图片，最终成功拍摄了具有10 nm尺度空间分辨率和10 fs尺度时间分辨率的双曲极化激元脉冲传播的“纳米电影”（图2）。

图2：双曲极化激元脉冲传播的“纳米电影”。

研究团队对纳米光脉冲条纹随时间的演化进行了分析，得到了脉冲条纹速度方向和能量质心速度方向，如图3中的两组箭头所示。两种速度方向的差异直观体现了双曲极化激元相速度与群速度非共线的重要特性，而这个特性也是利用双曲极化激元实现微纳尺度电磁波反常传输的重要原因。此外，作者还进一步揭示了双曲极化激元脉冲独特的时空动力学特性，例如弯曲的超慢能流轨迹和各向异性能量衰减，展现了该时空成像技术用于研究微纳尺度各向异性时空动力学的能力。

图3：(A-D)双曲极化激元脉冲速度分布。小箭头表示脉冲条纹速度分布，大箭头表示脉冲质心速度方向。(E)脉冲近场振幅随时间的演化。

研究团队将高维时空成像数据变换到动量域后，发现极化激元脉冲的波矢分布发生了时域拓扑变换，由透镜型随时间演化为双曲线型。通过对随时间变化的波矢进行分析，研究团队评估了极化激元脉冲对金属圆盘施加的光学力特性，展现了该时空成像技术运用于研究时变光学系统的能力。

该研究通过时域干涉纳米成像技术，揭示了双曲纳米光脉冲奇特的各向异性时空动力学特性，为实现纳米尺度的超快光场调控提供了依据，有助于推动超快微纳光子器件的发展。研究工作在近场技术方向上取得创新进展，所发展的超快纳米成像技术有望运用于揭示更多新奇的极化激元时空物理，为研究纳米尺度的光与物质相互作用提供了新的思路与有力技术手段。

华中科技大学李培宁教授、张新亮教授为通讯作者，华中科技大学博士生张昕、严其志、马玮良为共同第一作者，该工作得到了国家自然科学基金、湖北省自然科学基金和武汉光电国家研究中心创新基金的资助。