紧聚焦拉盖尔-高斯光束与无序金纳米棒体系的相互作用及其应用

Manipulation of light-matter interaction based on structured light and its corresponding application receives tremendous research efforts these years. Utilizing the polarization and wavelength dependent responses of gold nanorods is the conventional way to realize the so-called five dimensional optical data storage. In this project, we propose a new method to realize multi-dimensional optical data storage by exploiting the degrees of freedom provided by a tightly focused Laguerre-Gaussian beam, i.e. the spin angular momentum, the orbital angular momentum and the number of radial nodes in the intensity distribution. The mechanism is based on the excitation of distinct electromagnetic hot spots by focused Laguerre-Gaussian laser with different beam parameters. Our preliminary experiment results validate that the spin angular momentum of light can be used to storage digital informations. This project is consisted of three parts: 1) the numerical study of the light-matter interaction between a focused Laguerre-Gaussian beam and disorder gold nanorods with plasmonic coupling; 2) the fabrication of optical data storage medium based on gold nanorods with tunable coupling strength and the local optical absorption examination; 3) the multi-dimensional optical data storage based on the interaction between a focused Laguerre-Gaussian beam and the disorder gold nanorod assembly. Our results might provide insight for shaping the optical responses of nanoparticles. It might find application in enlarging the capacity of multi-dimensional optical data storage.

基于结构光的光与物质相互作用调控及其应用是近期光物理领域的研究热点之一。单个金纳米颗粒对激光不同偏振和波长的响应差异是实现五维光存储的常规方法。本项目提出一种基于紧聚焦拉盖尔高斯光束调控无序耦合金纳米棒体系电磁能量热点特性的新方法，研究基于拉盖尔高斯光束的物理参量（自旋角动量、轨道 角动量和径向波结数）对无序金纳米棒体系双光子吸收性质的控制，从而实现基于结构光束与无序介质体系的高密度多维光信息存储。我们的预实验结果表明利用拉盖尔高斯光束的自旋角动量进行光存储是可行的。该项目的主要研究内容包括：1)紧聚焦拉盖尔高斯光束与无序耦合金纳米棒体系相互作用过程的数值仿真；2)制备耦合强度可控的无序金纳米棒薄膜及其微区光学吸收性质测试；3)基于紧聚焦拉盖尔-高斯光束各个物理参量的多维光存储实验。本项目的开展对丰富调控纳米颗粒光学响应的手段具有重要意义，有助于不断提升多维光存储技术的存储密度。

我们发现了线偏振紧聚焦拉盖尔-高斯光束的轨道角动量可以用于调控焦斑体积内矢量光场偏振椭圆的空间朝向。基于这个物理机制我们可以在非手性纳米颗粒中产生拓扑荷依赖的光吸收二色性。我们建立了一个能够仿真紧聚焦拉盖尔-高斯光束与随机耦合无序金纳米棒体系中光与金纳米棒相互作用的理论计算模型，系统研究了紧聚焦情况下拉盖尔-高斯光束各个物理参量对存储复用的影响，讨论了无序金纳米棒体系中耦合强度对具有不同轨道角动量拉盖尔-高斯光束的响应差异，在实验上实现了基于轨道角动量、偏振、频率和三维空间的六维光与物质相互作用，相关知识产权“六维高密度信息存储方法”已获批国家发明专利（专利号：ZL 2018 1 1385934.6）。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；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，并与华为技术有限公司开展合作；