超越探针孔径极限的近场成像

近场扫描光学显微镜一直是设计、表征和理解各类纳米光子器件功能不可或缺的工具。随着制备技术的进步推动器件尺寸不断缩小，对其分辨能力的提升需求持续增长，而该分辨能力主要由扫描器所接探针的尺寸决定。使用更小探针是直接提高分辨能力的途径，但因收集效率急剧下降，实践中无法任意缩小。本文发展一种方法，将近场成像分辨能力增强至超越探针孔径物理尺寸所设极限。其工作原理是揭示传统近场显微镜不可见的高阶近场本征模式。在这些高阶本征模式中，近场波因局域变化相位产生相消干涉，从而揭示亚孔径尺度的精细结构细节。为提取这些本征模式，我们构建了自干涉近场显微镜系统，并测量由不同远场照明角度下记录的近场振幅与相位图组成的全相位参考远场–近场传输矩阵（FNTM）。通过对实测 FNTM 进行奇异值分解，我们提取出隐藏于最低阶对称模式之下的反对称模式、四极模式及其他高阶模式。这使我们得以分辨间隙尺寸（50 nm）仅为探针孔径直径（150 nm）三分之一的双纳米缝与三纳米缝。基于 FNTM 的亚孔径近场模式映射有望与多种现有近场成像模态结合，提升其探测纳米器件局域近场光波的能力。