基于随机耦合金纳米棒体系的双光子吸收调控研究

Tailoring the optical absorption based on gold nanoparticles and their corresponding applications are a flourishing topic of optical physics. The conventional methods for manipulating the optical response of gold nanoparticles are mainly relied on the size control and the plasmonic coupling in gold nano-oligomers. In this project, we propose a new mechanism for the manipulation of two-photon absorption in a disorder gold nanorod system. We study the effect of random coupling among gold nanorods on the two-photon absorption of the system. We control the two-photon absorption of a gold nanorod assembly based on the management of key fabrication procedures. Our preliminary experiment results show that the random coupling effect of gold nanorods could introduce some new physical properties compared with the weak coupling case. This project is consisted of three parts:1) Calculation of the optical absorption based on the coupled dipole-quadrupole method and the finite-difference time-domain method; 2) Searching for the key fabrication parameters to control the random coupling strength in a disorder gold nanorod assembly; 3) Evaluating the effect of random coupling strength of gold nanorods on the single-photon and two-photon absorption in detail and then shaping the manipulation mechanism of the two-photon absorption. Our project holds great significance for enriching the manipulating methods of optical response in photonic systems. It would provide new solutions for the manipulation of light-matter interaction in disorder photonics.

基于金纳米颗粒的非线性光吸收效应及其应用研究是近期光物理领域的研究热点之一。控制颗粒的尺寸和利用多个有序分布颗粒间的耦合效应是调控金纳米颗粒光学响应的常规方法。本项目提出一种调控金纳米棒体系双光子吸收特性的新方法，研究无序金纳米棒间随机耦合效应对系统双光子吸收性质的影响，通过控制无序金纳米棒结构的关键制备参数实现对系统双光子吸收特性的控制。我们的预实验结果表明，金纳米棒间的随机耦合能为系统的光吸收效应引入新的物理性质。该项目的主要研究内容包括：1)基于耦合偶极子-多极子方法及时域有限差分方法计算随机耦合效应对金纳米棒系统光物理性质的影响;2)寻找无序金纳米棒体系的关键制备参数用以调控系统的随机耦合强度;3)系统研究随机耦合金纳米棒体系的单光子和双光子光吸收特性及其调控机理。本项目的开展对丰富调控金属纳米颗粒光学响应的手段具有重要意义，能为无序光子学中调控光与物质相互作用提供新的思路和方法。

探讨无序耦合光子系统的物理性质具有重要科学意义和应用价值。我们建立了一个能够描述随机耦合金纳米棒体系中光与金纳米棒相互作用的理论模型，通过统计分析揭示了这类随机耦合体系中各个参数对系统光吸收性质的影响，掌握影响随机耦合金纳米棒体系光吸收特性的关键物理参数。与此同时，我们优化了现有金纳米棒制备技术，通过实验系统研究了控制无序金纳米棒系统耦合特性的制备方法，掌握可以控制无序系统光学性质的关键制备参数。系统研究了不同波长和偏振组合的飞秒激光对无序金纳米棒的烧蚀情况及烧蚀过程对系统光学性质的调控。基于对无序耦合金纳米棒系统光学特性的研究，我们通过对无序金纳米棒耦合产生的电磁能量热点进行编码，将多物理维度的复用和多进制编码有机结合起来，在实验上证明了多维度多进制的光信息存储。基于紧聚焦柱状矢量光独特的矢量偏振特性，我们提出并实验验证了基于部分柱状矢量光的高密度信息复用存储技术。旋向矢量光和径向矢量光经偏振片起偏后将产生部分旋向和径向矢量光。具有不同偏振特性的紧聚焦部分柱状矢量光可以与光的波长维度复用，通过调控与耦合无序金纳米棒结构的相互作用实现多路的独立二进制信息的复用存储，相关技术已经申请国家发明专利（申请号：2020100581912）。