激光与微纳米粒子相互作用的物理机制及器件应用

激光与物质的相互作用在进入纳米科技时代后被赋予了崭新的内涵，成为人们关注的焦点和研究的热点。本项目计划围绕激光与微纳米粒子的相互作用开展以下几个方面的研究工作：（1）光物质的物理性质，（2）光操纵磁性纳米颗粒的物理机制，（3）微纳米粒子的有序(无序)结构对激光的调制，以及（4）基于微纳米粒子光操纵的光学功能器件等。通过本项目的研究争取实现以下目标：（1）弄清光物质的独特物理性质，实验观察光物质中光子带隙的动态形成过程；（2）弄清磁性纳米颗粒在激光作用下成团的物理原因，实验观察无序散射系统中光局域化的动态过程以及光子能隙的演变过程（即时间分辨的Anderson局域化过程）；（3）探索基于微纳米粒子光操纵的光学功能器件以及微纳米粒子在新型光学功能材料和器件中的应用。本项目的研究内容不仅具有深刻的物理内涵，而且具有潜在的应用前景，说明开展本项目研究具有重要的科学价值和实际意义。

该项目主要研究激光与微纳米粒子的相互作用及其器件应用，揭示内在的物理机制并且探索可能的器件应用。取得的主要研究成果概括为以下几个方面：（1）通过采用一束532纳米的激光操纵毛细管中的磁性纳米颗粒，实现了对比度高达～40 dB、开关时间为微秒量级的1.55微米的光开关，观察到之前理论预言的无序系统的光子能隙。此外，我们首次演示了同时利用外加光场和磁场来操控“磁空穴”并且系统研究了“磁空穴”的动态响应。我们提出了一种新颖的方法将玻璃或聚合物微球组装成三维晶体，主要利用磁性纳米颗粒产生的巨大非平衡耗尽力。我们还研究了金纳米棒和纳米团簇的光操纵。（2）我们系统研究了太赫兹波段一维光子晶体中缺陷模式的调控以及太赫兹波透过包含金属缺陷的一维光子晶体的行为，发现缺陷模式的调控不仅依赖于插入硅片的位置，也依赖于它的电阻率。此外，对于金属缺陷，太赫兹波在传播方向上的限制将促进激发的表面等离子激元在横向上的局域。（3）我们研究了飞秒激光烧蚀ZnO纳米棒的行为以及烧蚀前后双光子引入的随机激光，发现飞秒激光烧蚀导致阈值很低的双光子随机激光，同时证实ZnO纳米棒在烧蚀后双光子荧光的显著增强可以用于光信息存储。（4）我们研究了三维光子晶体表面自发发射的调控，发现在光子带隙或带边荧光寿命的显著改变。我们也研究了具有内部损耗的侧耦合等离子共振器，发现内部损耗通过拓展闭合回路的宽度使得更大范围的开关成为可能。（5）我们采用飞秒激光脉冲在金属和半导体表面制备了规则的微纳米结构，这些结构包括镍/钢表面的高空间频率周期性结构和硅表面的一维和二维纳米孔阵列。其中内在的物理机制是由烧蚀初期形成的低空间频率周期性结构（即波纹或沟槽）导致的电场重新分布。