飞秒激光捕获中势阱劈裂的三维分布

When a laser beam is tightly focused, normally a single optical potential trap will be generated near the focal point. It is called optical trapping or tweezering. When gold nanoparticles are trapped by a linearly polarized femtosecond laser, however, the single trap position may split into two positions, and may change the orientation according to the polarization. We named this phenomenon as “trap split”. The trap split is derived of nonlinear saturation of polarization, and is dependent on the power, polarization and wavelength of femtosecond laser. In the program, we shall further investigate the 3-dimessin distribution of trap split under various trap conditions, such as different vector beam, different nanoparticles, and so on, study the mechanism of trap split, and develop the applications of trap split in the fields of micro-machining, bio-imaging and detection.

一束激光被高度聚焦后，在焦点附近会产生一个光学势阱（光镊）。但当使用线偏振飞秒激光捕获和操纵金纳米颗粒时，常规情况下产生的一个光学势阱会劈裂为两个，且在二维方向上随偏振方向的变化而改变，我们称之为“光阱劈裂”（Nature Physics, 6, 1005）。光阱劈裂的产生是基于飞秒激光与金纳米颗粒间的非线性极化作用，且与线偏振飞秒激光的偏振方向、功率和波长等相关。新的研究结果显示，光阱劈裂可具有三维分布，且受捕获光的矢量特性和纳米颗粒的性质所影响，提示进一步研究光阱劈裂的分布规律和产生机制具有重大的创新性。本项目将在原有研究的基础上，进一步研究圆偏振、径向偏振和角向偏振飞秒激光捕获不同形状的金纳米颗粒、磁性纳米颗粒等样品时，光阱劈裂在三维空间上的分布规律，探究超短脉冲激光（电场、磁场）与不同纳米颗粒间的非线性作用的新机理，开发光阱劈裂现象在纳米微加工、生物显微成像与操纵等领域中的新应用。

本项目研究了飞秒激光与纳米颗粒间的非线性作用对光镊势阱的三维分布的影响。在项目的研究过程中，开展了如下工作：（1）研究了飞秒激光在线偏振模式下与纳米颗粒相互作用形成的球壳型势阱；（2）理论模拟了飞秒激光下光阱与功率、颗粒非线性极化的关系；（3）研究了飞秒激光在圆偏振模式下与纳米颗粒相互作用产生轨道旋转的机制，以及轨道角动量转化的效率；（4）研究了飞秒激光与金纳米颗粒相互作用产生多光阱的机制以及三维分布的规律；（5）研究了飞秒激光与生物体系内的金纳米颗粒相互作用对肿瘤的治疗。通过本项目的研究，进一步揭示了超短脉冲激光和颗粒间非线性相互作用机制，以及超短脉冲激光光镊的捕获规律和机制，并开展了利用飞秒激光和金纳米颗粒的相互作用在肿瘤方面的治疗。在ACS Nano、Nanophotonics等期刊发表多篇高水平论文，并申请一项发明专利。培养了多名研究生（已毕业3名博士生和1名硕士生）和青年科技人员。