不同波長下金屬納米陣列的超快光學非線性研究

《不同波長下金屬納米陣列的超快光學非線性研究》是依託華中科技大學，由楊光擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：不同波長下金屬納米陣列的超快光學非線性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：楊光
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

當金屬納米顆粒處於有序排列下，其非線性光學效應可以得到很大的增強，使得其在未來光存儲、光通信、全光開關以及生物醫學等領域有著重要的套用前景。根據我們已有的工作基礎，本項目將開展有序貴金屬納米陣列的超快光學非線性的研究工作，結合掩模板技術和脈衝雷射沉積/熱蒸發技術製備具有周期性排列的Au、Ag、Cu等貴金屬納米陣列，實現其尺寸、形狀及分布可控，結合飛秒雷射（800nm/50fs/1KHz/2mJ）和時間分辨z掃描實驗方法研究其超快非線性光學特性，討論其光學非線性與納米顆粒形狀、尺寸、分布的內在關係，並進一步利用光參量放大系統（OPA）在不同波長處研究金屬納米陣列的光學非線性回響，結合理論研究和實驗結果，探索其超快光學非線性增強的影響機制，為金屬納米顆粒在未來光通信、光存儲等領域的套用提供理論基礎和實驗依據。

結題摘要

本項目主要研究周期性排列的Au、Ag等貴金屬納米陣列在飛秒雷射激發下的非線性光學特性。對照研究計畫和目標，我們較好的完成了該項目，在三年期間，在國內外期刊上共發表了11篇SCI收錄論文，其中因子大於3的文章有3篇，皆為國際光學類權威期刊，並獲得了1項國家發明專利，同時多次應邀在會議上作報告。本項目取得的研究成果主要如下： (1). PLD真空靶室的改造及非線性光學測試平台的最佳化 為製備高質量的金屬納米薄膜材料，我們先期對PLD沉積設備進行了改造。通過參數的最佳化，實現了氧化物薄膜CuO、Cu2O的控制生長，結構緻密，結晶性高。分別在飛秒雷射（脈寬50飛秒）的放大級和振盪級對薄膜的光學非線性進行了研究。在振盪級Z掃描測量中，開孔Z掃描結果說明Cu2O薄膜為飽和吸收；CuO薄膜則表現出良好的反飽和吸收特性。在此基礎上對薄膜非線性的機制和起源進行了分析，發現材料的電子結構對非線性光學特性的影響。 (2). 金屬Au和Ag納米陣列的製備及超快光學非線性研究 採用納米球蝕刻法製備了高質量的Au、Ag納米顆粒陣列，並實現了其尺寸和結構的調控。在光學非線性的測試中發現，在較小的激發功率下，Au納米陣列呈現出雙光子吸收效應；隨著激發功率的增加，出現了雙光子吸收飽和的過程，非線性折射則呈現出自散焦效應。進一步我們製備了不同尺寸的Au納米陣列，實現了尺寸也可實現對其光學非線性的調控，在全開關材料套用上具有套用前景。在此基礎上，成功製備了各種尺寸的有序Ag納米陣列，對其在不同波長處，如800nm非共振區和400nm共振區研究了飛秒雷射激發下的光學非線性效應，都觀察到了其非線性吸收特性從雙光子吸收特性轉變為飽和吸收的過程，在共振區400nm激發下，其轉變閾值降低了近2個數量級。結合掩模板和離子刻蝕技術成功合成了ZnO的納米環狀結構，其非線性折射率和非線性吸收係數都分別提高了2個數量級。 (3). 金屬厚度對Bragg反射鏡的光學特性的影響 在此基礎上，針對Ag金屬厚度對金屬-分散式Bragg反射鏡界面處的光學Tamm態進行了研究，發現多重光學Tamm態的存在並揭示了其內在的物理機制-Ag金屬厚度的變化引起光學Tamm態周期性的共振，並給出了適宜於觀測光學Tamm態的金屬銀膜的厚度範圍。進一步發現了光學Tamm態的對稱耦合和反對稱耦合，通過調節中間金屬的厚度，可以調控兩個耦合態之間的波長。