封面 | 发光缺陷实现纳米尺度光场矢量测量

微纳尺度下光与物质相互作用的调控是当前基础物理和应用科学研究的重要手段。由于其灵活的调控能力，具有空间上非均匀偏振分布特性的矢量光场在近年引起广泛关注。尤其是紧聚焦下的矢量光场，被用于光学超分辨成像、光镊、纳米加工、近场光学等领域的研究。对纳米尺度光场矢量的探测将有助于提高光场调控的效率，以及探索光与物质相互作用的机理。实现这一目标需要一种具有小尺寸、低干扰和矢量测量能力等特点的光场探针。

近年来，原子尺寸的单光子源，如单分子、单个发光缺陷，被用于研究纳米尺度下的光与物质相互作用，为探测纳米光场矢量提供了一种潜在方法。金刚石中氮-空位色心是一种最具代表性的发光缺陷。它是由一个氮原子杂质和相邻的空位组成，具有稳定的自发辐射荧光和室温下长自旋相干时间等优点。基于氮-空位色心的高分辨率电磁场、温度和应力传感在生命科学、凝聚态物理和高压物理等研究中得到广泛应用。

中国科学技术大学孙方稳教授团队利用金刚石中不同轴向的单个氮-空位色心作为光场传感器，通过对偏振依赖的自发辐射的测量，得到光场的三维矢量信息，实现紧聚焦下矢量光场空间分布特征的成像与重构。相关工作发表在Chinese Optics Letters第21卷第7期（Qiyu Wang, Zehao Wang, Xiangdong Chen, Fangwen Sun. Detecting the vector of nanoscale light field with atomic defect[J]. Chinese Optics Letters, 2023, 21(7): 071202）被遴选为该期封面。

Chinese Optics Letters 2023年第7期封面图

封面中未知的矢量光场从上方泵浦单晶金刚石中的氮-空位色心，不同取向的氮-空位色心自发辐射携带了光场的偏振、强度等信息，对多个氮-空位色心荧光信号的分析重构出光场矢量的空间分布特性。

研究团队选择单晶金刚石作为光场探针，其中的氮-空位色心有4种可能的对称轴取向。进一步测量电子顺磁共振谱，可以确定每一个氮-空位色心的对称轴取向，从而分离出不同取向的氮-空位色心在同一光场泵浦下的自发辐射信号。由于氮-空位色心的自发辐射强度受到泵浦光场矢量与对称轴之间夹角的影响，对每一种对称轴取向的氮-空位色心的测量便可得到光场矢量的部分信息。综合4种对称轴取向的氮-空位色心信号，并借助深度学习可重构出光场的三维矢量。实验中通过振镜扫描光场与氮-空位色心之间的相对位置，得到径向偏振光在紧聚焦下的偏振与相位分布，与理论预期相符。

图2 利用氮-空位色心对紧聚焦下径向偏振光场的探测与重构

该文通信作者陈向东副研究员表示：“得益于单个氮-空位色心极稳定的荧光辐射和确定的轴向，矢量光场的测量具有高可靠性。而氮-空位色心的小尺寸使测量结果能够达到很高空间分辨率，该工作中测量结果的分辨率主要受限于扫描装置的精度。在下一阶段的工作中，研究团队将通过提高荧光采集效率、引入更多轴向的色心等方法进一步提高测量精度，并将该技术用于发展基于固态自旋体系的光学超分辨成像和量子传感。”

孙方稳教授带领的中国科学技术大学微纳量子传感团队，成员包括陈向东副研究员、董杨副研究员、郑瑜副研究员和十余名硕士、博士研究生。该团队聚焦微纳体系的高精度传感，在光学超分辨成像、固态自旋量子传感、光力体系的高精度测量等领域取得系列成果，在Nature子刊、 Physical Review Letters、 Photonics Research 等期刊发表论文100余篇。

编辑 | 木拉提·满苏尔

4、封面 | 基于金刚石氮-空位色心的光纤量子传感