飞秒激光在透明纳米材料中的非线性成丝效应研究

Femtosecond laser filamentation in transparent media has become a hot topic of ultrafast optics due to its fruitful physical phenomena and potential applications. However, most studies on femtosecond filamentation are based on homogeneous transparent media and focus on the macroscopic effect of the nonlinear processes. Due to the applications of femtosecond laser in nanomachining, quantum chip fabrication and optical sensor, the investigation on the nonlinear and near-field optical effects of femtosecond filamentation in nanomaterial becomes a promising research field. In this proposal, we will attempt to investigate the novel nonlinear optical effects in nanomaterials such as the porous glass. Furthermore, we will combine the ultrafast optical technologies with near-field optics to identify the physical mechanism behind the optical effects in the sub-wavelength scale. In addition, we will creat a more complete microscopic picture of the interaction of ultrafast laser field and the nano-structure in a femtosecond laser filament, aiming at develop an effective technology to manipulate the material properties in nano-scale.

飞秒激光在透明介质中成丝由于丰富的物理效应及潜在的应用前景成为超快光学研究的热点之一。然而，目前的飞秒激光成丝研究大多在均匀介质中展开，且着重于观测非线性过程的宏观效应。由于超快激光在纳米加工、量子芯片制备、光学传感等方面的应用，飞秒激光在纳米材料中成丝的非线性光学效应及成丝近场光学效应的研究越来越受到瞩目。本项目拟采用多孔玻璃作为典型的非均匀纳米介质，在其中展开光与新型纳米材料物质相互作用非线性光学新效应的研究。利用超快光学技术手段探测纳米材料中的宏观传输效应和局域场光学效应，澄清凝聚态材料亚波长近场光学效应的物理机制，并通过超快激光操控成丝过程中介观尺度非线性光学效应，发展一种操控纳米尺度下材料特性的新技术。

飞秒激光在透明介质中成丝由于丰富的物理效应及潜在的应用前景成为超快光学研究的热 点之一。由于超快激光在纳米加工、量子芯片制备、光学传感等方面的应用，飞秒激光在纳米材料中成丝的非线性光学效应及成丝近场光学效应的研究越来越受到瞩目。成丝过程包括多光子吸收、隧穿电离等极端非线性过程，在不同材料中的成丝过程更是伴有性质各异的纳米光栅形成、能量快速沉积、等离子体形态演化等超快非线性现象。在超快激光与物质的极端非线性相互作用中，物质对光场的响应非常敏感且具有非微扰、高度非线性等特性。此外，在多层纳米薄膜等非均匀纳米材料体系中，不同微区的晶格对超快光场有迥异的响应。因此，对超快光场的相干操控将有效控制光丝的形态和光与物质的作用效果。探测纳米材料中的宏观传输效应和局域场光学效应，建立有效的光场调控手段，对超快激光与非均匀纳米材料作用的相关应用研究显得尤为重要。在过去的四年中，在基金委的大力支持下，本项目着眼于超快激光与不同介观材料的相互作用的研究，利用泵浦探测技术探索相关作用机制，通过超快光场时空调控手段对相关超快动力学过程进行操控，在此基础上发展了行之有效的均一分辨率超快激光材料改性技术，并利用该技术对3D打印、纳米薄膜集成光学和微流控等应用展开了一定的探索。在项目的支持下，共发表SCI论文29篇，中文综述1篇。