通过表面等离子体共振全息显微镜定量测定面内光学各向异性

为什么超薄晶体以特殊方式弯折光线

只有几原子厚的平面材料可以以块状玻璃或塑料永远无法实现的方式扭曲和筛选光。这样的“二维材料”是用于超紧凑传感器、相机和以光的偏振作为信息通道的通信芯片的构件元件。但要设计此类器件，科学家必须精确知道给定薄片在不同面内方向上弯折和吸收光的强度——这一直出人意料地难以测量，尤其是对原子级薄层而言。

光在不同方向上的不同行为

许多晶体在光学上并非各向同性。沿一个面内方向传播的光可能看到更高的折射率（即传播速度更慢）或比垂直方向的光被更强地吸收。这种方向性行为称为面内各向异性，是偏振敏感探测器、光学滤波器和波片等关键功能的基础。传统探测方法从远场照射并观察返回信号，这对较厚的薄膜有效，但当材料只有几层原子且相互作用长度极短时，这种方法就变得不可靠。

将光直接带到表面附近

作者通过从远场光学转向近场光学来解决这个问题。他们使用经典的表面等离子体装置：在玻璃载片上镀一层薄金膜，将超薄样品置于其上。当激光以恰当角度照射金膜时，会激发紧密束缚、贴着金属表面传播的表面波。这种称为表面等离子体的波具有强烈的电场，即使样品只有单层原子，其场也会与二维材料强烈重叠。通过旋转该表面波传播的方向并记录反射光的全息图，研究人员可以观察样品在不同面内角度下的响应如何变化。

把全息图变成定量的光学数值

在他们的显微镜中，团队在表面等离子体条件下同时扫描入射角和平面内的传播方向。数字全息技术使他们能够重建反射光束的亮度和相位变化——相位是样品改变经过波的一个非常灵敏的指示。然后他们将这些测得的相位变化与基于多层光学模型的计算进行比较，该模型包含玻璃、金膜、超薄样品和周围介质。仅通过调整样品的折射率（对光的弯折程度）、吸收以及厚度，直到理论与实验匹配，他们便从同一数据集中精确提取出每个面内方向上的这些量。

随着层数增加会发生什么

为演示该方法，作者研究了二硫化铼（ReS₂），这是一种以强烈面内各向异性著称的二维半导体。他们测量了单层、双层以及更厚的薄片。对于双层片，其厚度结果与原子力测量的独立预期良好一致，证实了该方法的准确性。更重要的是，通过将检索到的光学常数按角度绘出，他们得到了一系列整齐的椭圆，这些椭圆直接编码了材料在首选面内方向上与垂直方向之间的差异。对不同厚度样品重复这一过程，他们发现这些椭圆随着材料变厚而变得更接近圆形，意味着面内各向异性随着层数增加而减弱。

这对未来纳米器件有何意义

该研究表明，超薄ReS₂比更厚的薄片在方向性上实际上更“极端”，这很可能是因为额外层引入了更复杂的堆叠和相混合，从而稀释了各向异性响应。对于工程师而言，这意味着当需要强偏振效应时，单层和少层晶体可能是最优选择，例如在微型化的光学偏振片或角度选择传感器中。更广泛地说，这里介绍的方法——一种宽场、近场、全息表面等离子体显微镜——为研究人员提供了一种实用手段，可以获得任何薄膜在所有面内方向上如何操纵光的确切数值，甚至可达原子层极限。

引用: Zhang, J., Li, W., Li, J. et al. Quantitative determination of in-plane optical anisotropy by surface plasmon resonance holographic microscopy. Light Sci Appl 15, 152 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02207-7

关键词: 光学各向异性, 二维材料, 表面等离子体共振, 全息显微镜, ReS2