纳米增益颗粒体系光操控非线性效应的研究

Recently, optical manipulation on electromagnetic nanoparticles develops rapidly and nonlinear optics has been widely investigated. In view of the situation, we study the nonlinear effects of optical force on gain nanoparticles under the illumination of plane wave. This project focuses on the following two points: (1) We discuss the gain threshold of the nanoparticles for the optical pulling force and tune the nonlinearity by changing the incident light intensity to analyze the influence of the nonlinear effect on the threshold gain. In addition, the conditions to reduce the threshold gain are explored. (2) According to the bistable behavior, we adjust the size and physical parameters of the nanoparticles to decrease the threshold electric field, broaden the scope of optical bistability and exploring the way to enhance the optical force. And then, the electromagnetic field distributions are obtained for further studies of the optical forces. This project will give deep insights on the interaction between the light and nonlinear nanoparticles, and greatly promote the development of optical manipulation techniques and application of the new optical devices.

近年来，电磁纳米颗粒体系光操控技术发展迅速，同时，非线性光学也已成为热点课题。针对目前发展状况，本项目将研究平面电磁波入射下纳米增益颗粒体系光操控的非线性效应。主要开展以下两方面工作：（1）探讨纳米增益颗粒体系发生光推力和光拉力转变的阈值增益，通过改变入射光强控制材料非线性强弱，分析非线性效应对阈值增益的影响，探索降低阈值增益的条件；（2）观察由于非线性效应导致的纳米增益颗粒体系光力双稳现象，改变非线性纳米增益颗粒体系的几何参数和物理参数，调控光力的双稳行为。在降低光力双稳的阈值电场强度和拓宽双稳范围的同时，探究增强光力的方法。进一步借助模拟软件得出颗粒体系的电磁场分布，深入研究光力增强的物理本质。本项目预期的研究成果将强化非线性纳米颗粒体系与光相互作用本质的理解，大大促进光操控技术的发展，并且推动新型光学器件在纳米光学领域的实际应用。

光和物质的相互作用导致动量交换而产生光力。光操控物体向前运动，或者光将物体拉向光源。本项目基于全波电磁散射理论和麦克斯韦应力张量法研究颗粒体系的光力。纳米增益颗粒体系光推力和光拉力的转变可以通过增大颗粒体系的增益使其达到阈值增益来获得。通过调节入射电场和非线性纳米增益颗粒体系所处的周围环境来降低光拉力所需的阈值增益。拓展研究石墨烯包裹增益颗粒体系的光力，增大石墨烯的弛豫时间减小颗粒体系光拉力的阈值增益。与此同时，贝塞尔光束下金属包裹各向异性纳米颗粒体系的光力也得到研究。纳米颗粒的各向异性介电常数的切向分量远远小于径向分量时，颗粒体系所受光拉力将得到极大增强。在给定入射波长下，具有不同各向异性参数的颗粒将受到光拉力或者光推力，从而对特定各向异性参数的颗粒进行光选择。研究结果为纳米颗粒的光分类指明了新方向。此外，考虑石墨烯和金属的非线性效应，研究颗粒体系光力的光学双稳行为。减小石墨烯的费米能，或者增大介电颗粒和颗粒体系所处周围介质的介电常数使得颗粒体系发生等离激元共振的局域场增强，降低光力实现光学双稳的阈值电场，随之双稳区域变窄。同时，调节金属包裹各向异性纳米颗粒的尺寸大小、核壳体积比、各向异性参数和周围介质，颗粒体系出现单光学双稳、双光学双稳、光学三稳，甚至光学多稳现象。通过改变入射电场强度，光学开关将出现多个状态之间的相互转换，展现出光学多态开关的行为。研究结果加深了纳米颗粒体系光操控在非线性光学方面的理解，为光操控颗粒的发展提供了前景。