微纳米粒子的光学操纵及其器件应用

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过去的二十年中,光学操纵技术有了飞速的发展,并被广泛应用于纳米光子学,生物光子学等领域。全光开关,作为未来全光网络通信和全光计算机中必不可少的单元器件,受到了广泛而深入的研究。本文的研究工作是作者在利用光学操纵技术制作功能器件,尤其是光开关器件方面的一些有益尝试。 本文重点关注激光与微纳米颗粒的相互作用。一方面,我们通过简单而有效的方法操纵大量微米聚苯乙烯小球。另一方面我们试图弄清楚激光诱导磁性纳米颗粒形成团簇这一现象下面的物理机制。通过激光对微纳米粒子的操纵,我们设计,制造并优化各种有着不同物理机制,动力学过程的全光开关器件。 本论文为作者在硕士研究生期间所做的主要工作,分为六章。具体内容安排如下: 第一章:介绍了本文的研究背景。介绍了纳米光子学中光与物质相互作用的概念,光学操纵技术的发展历史以及光对微纳颗粒各种作用力的理论。 第二章:系统研究了一种被称为Z扫描光学捕陷的新型光学操纵技术。发现了聚苯乙烯溶液由无序向有序系统相变过程所引起的自透明现象。实验上,光学捕陷区域衍射图案的演化过程,清晰地证明了这一相变过程的存在。通过建立Z扫描光操纵技术的物理图像,我们给出了观察自透明现象的条件并且通过实验加以证明。我们研究了激光功率,小球尺寸以及材料对实验结果的影响。此外,我们还研究了利用Z扫描技术操纵单个纳米粒子和实验多次Z扫描光学捕陷。 第三章:通过操纵毛细管中的聚苯乙烯小球,我们实现了大体积,高质量的三维光物质。我们设计并制造了基于光物质的全光开关器件。此外,我们还分析了光物质产生和湮灭的动力学过程,这在制作光缓存,光存储器件等方面有着潜在的应用价值。 第四章:介绍了基于强散射力的全光开关器件。通过与基于光物质的全光开关器件的对比,我们发现这种开关具有更高的开关对比度和更快的开关速度。我们通过分析开关的物理机制和动力学过程,弄清了这种开关具有更好性能的物理原因。 第五章:研究了激光诱导磁性纳米颗粒形成团簇的现象并给出了可能的物理解释。通过激光诱导磁性纳米颗粒形成团簇,我们大大提高了磁流体薄膜磁光开关的速度。此外,通过激光操纵磁性纳米颗粒,我们得到了对比度高达40dB,开关速度为几十毫秒的全光开关器件。 第六章:本论文的总结与研究展望。总结了本文取得的成果和不足之处,展望了进一步可能的研究。
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