OES | 激光烧蚀：方便灵活的非线性纳米颗粒制备方法

第一作者：陈潋微 博士；通信作者：洪明辉 院士

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非线性光学是一个重要的研究方向。该方向在众多领域都有广泛应用，包括激光加工、纳米制造、传感元件、光电器件、生物光学、量子技术等。作为这些技术的基础支柱，非线性光学对于科学研究、工业应用、国防科技都有着重要意义。经过多年的发展，以非线性光学指导设计的各种元器件已经成为众多前沿课题和光学设备中不可或缺的一部分，比如高能激光器、光学成像系统、光通讯设备，以及微纳加工系统。非线性光学领域的突破与进展可以广泛惠及众多学科。

纳米科技被广泛应用于新材料和元器件的研发，也帮助非线性光学领域取得了很多重要突破。纳米颗粒是一种重要的纳米材料，对于纳米颗粒的研究与应用可以追溯到数千年前。在这一过程中，纳米颗粒展现出了很多独特的性质与巨大的应用潜力。和同样材料的宏观物质相比，纳米颗粒往往能在某些方面拥有更好的特性。在过去的几十年里，因为其优异的性能，纳米颗粒也是非线性光学的热门研究方向之一。其主要的特点可以被归纳为三个方面：

1）表面等离子体特性。金属纳米颗粒通常具有优异的表面等离子体性能。这种特性可以被用于加强某一特定波段的光学吸收。通过改变纳米颗粒的构成，形状及大小，其吸收频谱可以在从可见光到近红外的广大范围内自由调节。由于这种多面性，金属纳米颗粒可以在各种非线性元器件中发挥独特的作用。

2）表面功能化特性。通过表面处理技术，纳米颗粒可以与拥有各种不同功能的微粒结合，以改变其表面特性。这些处理后的纳米颗粒，可以被掺杂到多种多样的体系当中。这一方法极大地拓宽了非线性纳米颗粒的应用场景。

3）稳定与相容特性。经过特殊技术处理后的纳米颗粒拥有优越的物理和化学稳定性。特殊种类的纳米颗粒，比如纳米钻石，可以经受高温高压的严苛考验。其中的很多种类，还兼具优异的生物相容性。这些特质也使纳米颗粒在各种场景中受到较小的限制。

由于这些优异的特性，纳米颗粒被广泛应用于各种非线性光学系统中。如何方便制备符合应用要求的纳米颗粒，是该学科的核心问题之一。为了解决大量、高效、低成本制备纳米颗粒的难题，科学界提出了多种不同的思路。其中化学制备和激光制备是主要流派中的两种。化学方法在大量制备纳米颗粒方面有着独到的优势，但同时也具有一些需要提高的方面，比如制备过程中的团聚和沉积问题。另一方面，激光制备具有直接、快速、通用和环保等特点，在非线性纳米颗粒的制备方面独树一帜。其中，激光烧蚀通过将高能激光聚焦于靶材，可在极短的时间内产生出纳米颗粒。激光烧蚀可以在多种环境中应用，包括真空、空气、水和各类溶液。亦可与各类调控技术相结合，包括外加电磁场、化学试剂，以及各种反应的前/后处理。通过这些多种多样的方法，激光烧蚀可以制备多种不同性质的纳米颗粒，调控包括表面、形状、大小、缺陷在内的多种特性，以满足不同应用多样化的需求。

图1 通过激光技术制备的各种纳米颗粒

纳米颗粒在非线性光学领域有着广泛的应用。常见的非线性效应包括：物质因响应外电场作用而改变其折射率的克尔效应，非线性光限幅效应，饱和吸收效应，非线性散射效应，多光子吸收，非线性混频调制过程，二次/三次/高次谐波产生过程，光参量放大，光学整流，光学上转换等。这些非线性效应可以根据其涉及的光学性质归为三类：

1）涉及波长的非线性效应；

2）涉及传播方向的非线性效应；

3）涉及场强变化的非线性效应。

新加坡国立大学洪明辉院士团队总结了近期纳米颗粒涉及场强非线性效应的相关进展，在Opto-Electronic Science (光电科学）期刊发表综述：Functional nonlinear optical nanoparticles synthesized by laser ablation。在第三类的非线性效应中，非线性饱和吸收和光限幅效应被广泛研究。饱和吸收描述了物体透光率随着入射光强增大而增大的过程。换言之，在更强的光照条件下，物体的吸收趋于饱和。拥有饱和吸收性质的材料被广泛应用于制造高能激光器中的相关原件，其中包括用于产生脉冲激光的Q开关。饱和吸收材料也可被用于智能光学原件和光学逻辑器件，有望在未来的光学计算机中发挥作用。

另一方面，非线性光限幅效应陈述了一种完全相反的现象。具体而言，物体的透光率随着入射光强的增大而减小。因此，光限幅效应往往也被称为逆饱和吸收。逆饱和吸收也有着广泛的应用，包括各种高光强的保护器件、激光武器与光学调制器件。

虽然这两种非线性效应都非常重要，但现有的材料往往需要在较高的入射光强下才呈现出明显的非线性效应。高光强会带来诸如光学耗损等一些列问题。因此，相关的光学元件往往也需要较为苛刻的条件才能使用。如何增大材料的非线性效应，以便在较低光强下观测到显著的效果是这个领域的瓶颈问题之一。相关的进展，不但能够为现有的非线性元件带来革新，还能促使很多前沿课题产生突破，比如量子光学、高效能传感器、光子计算机等。

近年来，该领域越来越多的研究聚焦于这些瓶颈问题。基于纳米颗粒设计的非线性系统在性能和多样性方面都展现出极大的优势。其具有两大优势：

1）这些系统具有多功能性，可以根据具体的应用需求进行调整。

2）通过对于纳米颗粒系统的深度设计，可以拥有传统材料系统很难达到的性能。

该综述对于这个研究方向近年来的最新进展进行了总结，并通过数个具体案例对该方向常见的研究方法进行了概括和展现。同时，文中亦精炼了一些跨领域的相关研究，以期进一步呈现未来可能出现的相关机会。文章对本领域内的主要挑战和难点也进行了概括。困难也是机遇，相关瓶颈的突破将会对领域的发展带来独特的机会。基于纳米颗粒的非线性系统正蓬勃发展，现有研究已证明其优异的性能和多面性，但其很多潜能依然等待全面发掘。激光制备纳米颗粒是一种绿色、高效、通用的生产方法，会给未来产生的诸多新应用带来崭新的机遇。