山西大學在金納米粒子相干非線性效應研究中取得重要進展

科技日報記者 王海濱

8月21日，記者從山西大學獲悉，山西大學激光光譜研究所肖連團教授團隊在金納米粒子相干非線性效應研究中取得重要進展。該成果在量子精密測量、光學傳感和生物醫學等方面有重要的應用前景。

近日，物理學權威期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）在線刊發了他們的研究論文。山西大學為論文唯一單位，博士研究生李耀和楊勇剛教授為論文共同第一作者，通訊作者為秦成兵教授和肖連團教授，賈鎖堂教授和張國峯教授等共同參與了研究工作。

金納米粒子因其特有的非線性效應、表面等離子體共振效應、光熱效應等，一直是物理、化學、材料等學科的研究熱點，在光學傳感、能量俘獲、高分辨成像和光熱治療等方面具有重要的應用。由於金納米粒子量子產率低(10-6)，而多光子熒光強度和高階非線性效應嚴重依賴於激發光的功率，大功率激光的使用一方面會因光熱效應破壞金納米粒子本身的結構，另一方面也會對納米系統或有機體 (如細胞、組織) 造成不可修復的損傷，從而極大地限制了金納米粒子在功能器件、生物成像、癌症治療等方面的實際應用。

圖1金納米粒子在不同時間尺度下的超快動力學行為。(a) 線性座標；(b) 對數座標。(c) 兩束等功率飛秒脈衝激發下的對稱干涉條紋；(d) 不等功率激發下的非對稱干涉條紋。傳統多光子激發模擬結果：(e) n=2，(f) n=“3”.8。

肖連團教授研究團隊針對金納米粒子應用發展存在的瓶頸問題，提出基於中間態物理參數可調的三能級理論模型，提升超快雙脈衝激發金納米粒子的非線性干涉效應。實驗發展了相位和振幅精確可調的雙脈衝超快光場技術，用於精準地調控飛秒激光與金納米粒子相互作用，在將激發功率降低2個量級的情況下，實現了金納米粒子雙光子熒光的非線性干涉，相干相長時熒光強度比通常的雙光子光致發光方法提高100倍以上，相干相長與相干相消之比達到104。如圖1所示。

研究工作同時表明，通過精確調控兩束飛秒激光的延遲，可以精準地調控飛秒激光與金納米粒子相互作用的非線性係數。如圖2所示，使用單束飛秒脈衝激發金納米粒子時，其熒光表現出明顯的雙光子吸收過程，非線性係數為2；在採用雙脈衝激發時，當僅改變其中一束飛秒激光功率時，金納米粒子的熒光隨兩束脈衝延遲的增加呈現出從線性過程向雙光子過程漸變的奇異行為。在金納米粒子的實際應用中，線性過程適用於精密測量與傳感，而高階非線性過程對超分辨成像更為有利。

圖2 (a) 不同延遲下金納米粒子熒光強度隨激發功率的變化；(b) 金納米粒子多光子熒光的非線性係數隨兩束脈衝相對延遲的變化行為。

近年來，肖連團教授研究團隊系統地研究了單分子、金納米粒子、量子點等體系的相干超快動力學過程，發展了量子相干調製增強單分子顯微成像的新原理與新技術，利用相位調製的激光脈衝對製備與操控相干疊加態，實現了極微弱量子相干信息的有效測量，研究工作在量子精密測量、光學傳感和生物醫學等方面有重要的應用前景。（山西大學供圖）