Optica｜基于场增强的微纳米针实现高分辨时空光场探测

德国普朗克量子光学研究所，慕尼黑马克西米利安大学和美国斯坦福大学的研究人员合作提出了一种在时间和空间上测量超短激光脉冲电场的技术。新的测量技术在空间和时间分辨率方面均有显著突破。研究成果能够推进高空间分辨率光谱学的研究，以及场分辨显微镜的应用。本研究已发表于Optica（www.doi.org/10.1364/OPTICA.459612）。

光子的振动频率约每秒四百亿次，目前研究人员能够直接测量光场的时间演变信息。为了进一步精确引导和控制光场，必须实现高精度的时间和空间分辨率测量。高精度测量要在远小于激光焦点的体积内进行。

然而，光聚焦后分辨率和焦点尺寸相当，且衍射导致理论上可实现的分辨率与波长相当，即百纳米左右。与此相比，焦点尺寸通常为几微米。因此，通常的聚焦光不能用于实现高分辨率的探测。

为了解决这个问题，研究人员使用了一个尺寸只有几纳米的微金属 "纳米尖"，其尺寸比光的焦点小得多。而且，与传统的电极相反，研究人员开发了一种 "纳米TIPTOE "的探测方法，实现了在针尖末端的场增强。这种原理类似于避雷针，针尖材料的导电性使得我们能够用先进的电测量方法，实现操作简单且精确的光场信息探测。

一个纳米针尖与几个光周期内的飞秒激光脉冲相互作用。针尖上的局部场增强有利于对激光焦点内的涡流场的螺旋形波前进行空间分辨测量。

具体地，在探测装置中，针尖尖端依次在焦点内扫描，从而获得整个焦点内的探测图像，每个尖端的位置对应于图像的一个像素。

此装置还能够同时测量每个像素中光场的时间演变。当光线照射到纳米尖端时，产生了一个短的电流脉冲。该脉冲在几百个阿秒内流经尖端。被光场调制后的诱导的电流随后被测量。通过这些在极短的时间间隔内电流的变化，能够获得光场的时间演化信息。

实验中，研究人员探测了涡旋光束的光场。尽管光频率比传统电子学所能检测到的频率高许多数量级，但实验上获得的空间分辨率足够重建激光束焦点中光学涡旋的空间和时间场分布。此外，也能观察到围绕光轴旋转的飞秒涡旋脉冲的场振幅。

与需要高功率激光源的探测技术相比，场增强技术能够对具有中等强度的激光场进行表征。与以前用纳米针进行电子场检测的方法相比，纳米针将时间分辨率从低太赫兹频率提高了近三个数量级。此外，新的探测方法对偏振敏感，因此也适用于矢量场重建。