亚波长硅结构强光热非线性及超分辨定位成像学术资讯

来源：两江科技评论

近日，暨南大学光子技术研究院纳米光子及器件团队与国立台湾大学合作在全电介质超表面研究中取得重要进展。他们研究发现利用亚波长硅结构所支持的光学anapole模态，可以获得比体态硅高3到4个数量级的光热非线性。基于此机制，他们提出了一种高效动态的全光调控方式，实现了对纳米硅盘光散射响应接近100%的调制幅度。研究还发现，利用简单的扫描激光共聚焦显微系统对纳米硅盘散射成像，能够得到具有亚波长特征尺度的成像光斑，并展示了对亚波长硅结构的精度高达40纳米的远场超分辨定定位成像。该项研究成果近期以Anapole mediated giant photothermal nonlinearity in nanostructured silicon为题，发表在Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-020-16845-x)上。暨南大学光子技术研究院张天悦副研究员为该工作的第一作者，硕士研究生车颖为该工作的并列一作，国立台湾大学朱士维教授和我校光子技术研究院李向平教授为共同通讯作者。此外，南开大学和北京大学的合作者也为这项研究做出了贡献。

创新研究

本项研究通过合理设计纳米硅结构，可以使特定波长入射光在纳米硅盘结构内激发出光学anapole模态。该模态由于环形偶极子（TD）和反相振荡电偶极子（ED）之间的相互作用，伴随着很强的局域光学近场和近于零辐射的远场散射。通过巧妙的结合anapole的近场和远场光学特性，研究者利用光热效应实现了激发波长处硅盘主导的模式在ED模式和anapole模式间的切换，从而导致散射过程经历线性散射、饱和散射以及反饱和散射的可逆非线性散射过程（如图1所示）。利用局域近场能极大的促进纳米硅盘对入射光的吸收，致使在接近anapole模态的波长上，以较低光强的连续激光泵浦就可以实现纳米尺度硅盘的显著升温。实验测量拉曼光谱并提取聚焦光场下的局部温度显示，在量级为MW/cm2光照强度下便足以使硅盘升温近900 ℃，进而导致硅的折射率变化高达近0.5。对比实验发现，微纳硅盘中anapole诱导的光热非线性相比于体硅材料，光热非线性系数提高了3到4个数量级之多。

图1. 亚波长尺度硅盘中anapole模态介导的光热非线性示意图。

利用这中光热非线性的全光可逆调控机制，研究还展示了该技术在远场超分辨定位成像中的应用潜力（图2）。对于周期密集排列的硅盘，扫描电镜SEM和光学显微成像的原位对照清晰的显示出非线性散射成像相比于传统共聚焦成像的优势，对于硅盘中心的精度可达到40-50 nm。同时作为光学远场成像技术，无损、非标记、突破衍射极限的超分辨定位能力将有可能在IC检测、晶圆光刻结构的无损原位检测中发挥重要作用。

图2. 基于光热非线性散射的差超分辨定位成像。（a）密集排布的硅盘在不同激发光光强下散射成像结果，并与SEM图像原位对照。低功率光照下对应传统共聚焦成像，由于衍射极限的制约，无法辨认；增加光强值饱和散射阶段，由于主导模式为ananpole，硅盘区域出现负的对比度；继续增加光强至反饱和散射，在成像的中心区域出现亚衍射极限的亮斑。（b）差分图像显示周期密排布硅盘，定位精度可达50nm。（c）不同成像阶段的定位精度对比。

来源：imeta-center 两江科技评论

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