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深圳大学袁小聪课题组:非线性光学力及光操控技术

2018-11-07

近日,深圳大学纳米光子学研究中心袁小聪教授团队在非线性光学力及光操控技术方面取得了重要进展。该课题组将飞秒矢量激光作用于金属纳米颗粒,从理论和实验上对非线性光学力的产生和作用机制进行了分析和验证。

光镊技术是利用光来捕获和操纵微小粒子的重要技术手段,光操控技术已经被广泛应用于量子科学、生物物理以及传感成像等诸多研究领域。传统的光镊技术都是基于连续激光的线性力学作用来实现对微纳尺寸样品的捕获和操控。近年来,研究人员利用脉冲激光发现了一系列新的物理现象,其中脉冲激光对颗粒非线性极化产生的光学力发挥了重要作用,但是对于该非线性光学力产生的物理机制尚不明确。

袁小聪课题组从理论和实验上研究了飞秒聚焦光场中光与金属纳米颗粒非线性力学效应的物理机制,并利用单束高阶飞秒矢量光场实现了对金纳米颗粒的多重捕获(图1),推动了新型非线性光操控技术的发展。


图1 不同偏振飞秒激光对金纳米颗粒的非线性捕获。(A)~(D)偏振及电场强度分布;(E)~(H)非线性光学力作用下对金纳米颗粒的多重捕获;(I)~(L)线性条件下对金纳米颗粒的捕获;(M)~(N)偏振状态改变对非线性力及光操控的影响。

飞秒脉冲激光具有极高的峰值功率,由于非线性光学克尔效应(与介电常数相关的三阶非线性效应)的存在,金属纳米颗粒在线性条件下的极化率α、介电常数ε0及消光截面σ等参数会发生明显改变。由于光学作用力与纳米颗粒的这些参量密切相关,因此电场极大峰值强度导致的非线性光学力将打破线性条件下散射力和梯度力的平衡(图2)。不同于线性条件下的力学效应,此时电场的纵向分量产生的光学力将发挥主导作用并建立新的受力平衡,从而在纵向场聚集位置产生多个势阱并实现对颗粒的多重稳定捕获(图3)。结果表明,对于电场强度敏感的可极化纳米结构样品(如金属、半导体结构、原子等),其非线性捕获结果可通过改变入射光的偏振和强度进行灵活调控。


图2 (A)~(B)非线性及(C)~(D)线性条件下线偏振光作用于金纳米颗粒的势阱及受力分布。


图3 非线性条件下不同偏振阶(由上到下阶数分别为1,2,-1)的矢量聚焦光场中受力与势阱分布

该工作通过对比连续、飞秒激光聚焦场中的受力与势阱分布,揭示并验证了线性与非线性条件下纳米颗粒在光场中受力的物理机制,对推动非线性光操控技术的发展具有重要意义。本成果以Nonlinearity-Induced Multiplexed Optical Trapping and Manipulation with Femtosecond Vector Beams为题发表在Nano Letters [18, 9, 5538-5543 (2018)]上。深圳大学为第一单位和通信单位。该研究得到了国家自然学科基金、广东省科技厅和深圳市科创委等项目的资助。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b01929