深圳大学物理与光电工程学院，射频异质异构集成全国重点研究实验室，光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，广东 深圳 518060
面向生物粒子操控方法的研究，在生物医学和生命科学等领域具有重要意义。光镊操控具有无接触与高精度的特点，已被广泛应用于多个领域的研究中。然而，传统光镊的光热效应以及衍射极限都制约着光镊在生物医学领域的更广泛应用和发展。近十年来，研究者们将光热效应化劣势为优势，利用光与热的耦合效应实现了多种粒子的精确捕获及操控，即光致温度场光镊（OTFT）。由于此种新型光镊对光能的利用率极高，能量密度低于传统光镊近3个数量级，并可实现颗粒的大范围操控，极大地拓展了光镊可操控粒子的种类，已经成为纳米技术以及生命科学领域的重要研究工具。温度场光镊仍面临诸多问题，例如对于颗粒界面调控的依赖性以及三维捕获受限等，尤其是在生物光子学的研究中，还需要进一步发展和优化。本文对光致温度场光镊操控基本原理及其在生物医学中的应用两个方面进行了系统阐述，并对其今后的发展与挑战进行了展望。
光镊 光热镊 光流控 光热效应 微流控 生物传感器 光学学报
2023, 43(14): 1400001
1 上海工程技术大学机械与汽车工程学院, 上海 201620
2 东华大学材料科学与工程学院, 上海 201620
随着半导体技术的广泛应用, 低维纳米材料及其范德瓦尔斯异质结以其独特的结构、优异的性能以及广阔的潜在应用前景而得到广泛关注。二维过渡金属二硫化物(Transition Metal Dichalcogenide Family of Materials, TMDs)的出现, 为解决石墨烯材料带隙设计问题提供了新思路和新方案。主要介绍了二硫化钼及其与金属氧化物、金属颗粒、低维碳材料、MXenes等材料耦合形成的异质结材料的合成技术。综述了二硫化钼及其范德瓦尔斯异质结材料在新能源领域、光电子领域的应用。最后, 展望了二硫化钼及其范德瓦尔斯异质结材料与金属等离子体纳米结构组成的新型复合材料及其在光电领域的应用潜力。
二硫化物 异质结 电催化 光热效应 光电器件 molybdenum disulfide heterjunction electrocatalysis photothermal effect optoelectronic device
1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
2 北京航空航天大学医学科学与工程学院，北京 100191
激光具有高亮度、高方向性、高能量、高光束质量等优点，已被广泛应用于工业、传感、通信和医疗等领域，尤其是在医学领域已被用于治疗血管疾病。血栓是一种严重的血管疾病，发病机理较为复杂。血栓会导致血管内血液堵塞，器官供血不足，严重危害人体生命健康。激光技术的快速发展推动了激光医疗的研究进展，脉冲激光以其较高的重复频率、高能量、高峰值功率等优点，在治疗血栓方面具有广阔的应用前景。激光作用于血栓主要通过其与生物组织之间发生的光化学效应、光热效应和光机械效应实现激光溶栓。本文综述了激光在血栓消融方面的应用现状，主要从体外及临床治疗方面进行总结，归纳了激光溶栓的应用进展以及未来可能的发展方向。
激光技术 血栓消融 光化学效应 光热效应 光机械效应 中国激光
2022, 49(19): 1907001
1 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049
2 西安交通大学第二附属医院眼科，陕西 西安 710004
激光热疗是多种眼底视网膜疾病的首选疗法。然而，激光参数选取不当造成的感光细胞损伤概率可达50%以上。构建准确的全眼三维传热模型可为临床医生选取激光参数提供依据。为此，本团队基于真实眼球结构建立了全眼宏观传热模型，通过数值模拟分析了人眼外部环境、眼前部组织吸收和脉络膜血流灌注对激光手术过程中眼底温度分布的影响。结果显示：角膜与环境间的对流换热会导致眼球温度发生变化，但对眼底手术的影响较小；在临床常用的450～900 nm波段内，不考虑眼前部组织对激光能量的吸收时，眼底各层温升误差可达24%；脉络膜血流灌注项对激光手术中眼球温度分布的影响主要取决于脉宽，经瞳孔温热疗法下考虑和忽略脉络膜血流灌注效应时眼底温升分别为11.54 ℃和21.15 ℃，计算误差可达83%。
医用光学 激光 眼底疾病 光热效应 生物传热 血流灌注 中国激光
2022, 49(20): 2007101
中国海洋大学青岛市光学光电子重点实验室，山东 青岛 266100
为了解决目前水中纳米塑料颗粒难以富集和检测的问题，基于金（Au）纳米粒子和聚苯乙烯（PS）纳米粒子的混合流体，使用自搭建的光操控-显微拉曼系统实现了PS纳米粒子的光热效应捕获和检测，并研究了混合流体中PS纳米粒子的光热效应及表面增强拉曼散射（SERS）信号增强效果。结果显示，PS纳米粒子（80 nm）的运动速度受到金纳米粒子粒径和浓度的影响，随着时间的增加光热阱中会形成直径为30 μm的Au-PS聚集体。PS纳米粒子的SERS信号强度在聚集体内比金溶胶基底提高了7倍，并且密度随着聚集体半径的扩展先增加后减小。该方法实现大量PS纳米粒子的光热效应捕获和SERS检测，显著提高PS纳米粒子的SERS信号强度并且降低了检测限。该方法在纳米器件自组装、环境污染监测等方面具有极大的应用潜力。
表面光学 光操控 光热效应 纳米塑料 金纳米粒子 表面增强拉曼散射 光学学报
2022, 42(16): 1624001
1 西安交通大学第一附属医院眼科，陕西 西安 710061
2 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安 710119
眼球是机体的视觉器官，同时也是一个良好的光学模型，因此激光技术在眼科得到了广泛的临床应用，覆盖了几乎眼部各个亚专业疾病的诊断与治疗。目前，激光在眼部的应用主要借助其高空间分辨率、高空间定位精度，以及激光的热效应、光化学效应、光爆破效应、光切割效应和生物调节作用等实现。本文综述了激光在眼科各领域的应用现状，并结合激光技术本身的不断发展，总结了激光技术在眼科的临床应用进展及未来可能的突破点。
激光技术 眼科激光应用 光爆破效应 光切割效应 光热效应 光化学效应 光生物调节效应
利用光诱导原子解吸附效应,无需加热就可实现碱金属原子浓度的调控,简易有效,故常被应用于光纤内碱金属原子的充载和磁光阱内单原子的捕获等。在使用460 nm的发光二极管阵列进行原子解吸附时,发现铷原子池的温度上升,说明光解吸效应受到了光热效应的影响,但目前关于光解吸附实验中的光热效应研究鲜有报道。当解吸光功率密度较小时,光热效应的影响几乎可忽略。当增大解吸光功率密度时,光解吸效应以及光热效应的影响不断增大且对原子浓度增长的贡献趋于接近,在两种效应的共同作用下,原子浓度的增长幅度得到进一步提高。研究结论对光子芯片研究具有参考意义。
量子光学 光诱导原子解吸附 光热效应 光学深度 原子浓度 中国激光
2021, 48(23): 2312001
1 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室, 陕西 西安710049
2 西安交通大学第二附属医院眼科, 陕西 西安 710004
纳米金颗粒可以有效增强激光诱导光学击穿效应,但不同脉冲激光下激光诱导光学击穿的机理不同。为了从微观角度揭示纳秒和飞秒激光照射纳米金颗粒过程中颗粒内部的光热转换和环境介质的变化,建立了脉冲激光加热水介质中纳米金棒的电子-声子双温度模型,结合实验研究,分析了不同激光能量密度和脉冲宽度对光热转换过程的影响,以及纳米金棒微观熔化特性的差异。结果显示,纳秒和飞秒激光照射下纳米金棒内部的电子和晶格温度的变化趋势基本一致。飞秒激光照射时纳米金棒的熔化阈值约为纳秒激光照射时的1%,纳秒激光照射时纳米金棒周围的水温更高。飞秒激光照射时纳米金棒形貌的改变主要以机械碎裂为主,而纳秒激光作用下则主要以热致纳米金棒熔化为主。
激光技术 纳米金棒 激光诱导光学击穿 光热效应 电子-声子双温度模型 中国激光
2021, 48(22): 2202014
高灵敏度的单粒子检测技术是纳米粒子在生物医学、 化学、 光电子等领域应用的前提条件。 常见的单粒子检测技术主要包括基于粒子的荧光、 拉曼、 散射和吸收等信号而发展起来的光学显微成像及光谱技术。 其中, 拉曼光谱和荧光光谱技术主要适用于一些具有拉曼活性的分子/粒子或可发光的荧光分子或粒子, 然而即使对于荧光效率高的有机染料分子和半导体纳米粒子, 固有的光漂白和blinking现象也对单粒子探测形成了挑战。 散射光谱测量是应用于单粒子检测的另外一种方法, 从理论上讲, 由于瑞利散射随着尺寸的减小而呈六次方减弱的趋势, 在细胞或生物组织内, 小尺寸粒子的散射信号很难从背景散射噪声中分离出来。 众所周知, 介质吸收激发光后会引起介质内的折射率变化, 进而在光加热区附近出现折射率的梯度分布, 称为光热效应(photothermal effect)。 基于粒子光热效应的光学显微成像和光谱测量技术具有信号灵敏度高、 无背景散射、 原位和免标记等优点, 在单粒子检测领域展现了良好的应用潜力。 综述了近年来基于光热效应的显微光谱技术在单粒子检测中应用和研究发展, 首先介绍了光热效应的测量原理; 接着分别讨论了光热透镜测量技术、 微分干涉相差测量技术和光热外差测量技术的实验装置, 比较了各种测量技术的信噪比、 灵敏度、 分辨率等特点, 并且介绍这些测量技术在单粒子检测中的应用研究进展; 接着, 论述了近年来研究人员在提高光热显微测量的信噪比、 改善动态测量性能以及在红外波段拓展等方面的最新研究成果; 最后, 简单总结了光热测量技术在单粒子检测领域所面临的挑战。
单粒子检测 光热显微镜 光热效应 Single particle detection Photothermal microscopy Photothermal effect
天津大学 材料科学与工程学院, 天津 300350
为了提高信息安全, 防止信息泄露, 进一步拓宽柔性器件在信息安全领域的应用, 本文报道了一种基于双层膜光驱动软体致动器的新型信息示假隐真技术。首先, 将所制得的不同长径比的金纳米棒通过图案遮罩和涂覆的方法, 均匀地分散到聚丙烯/聚酰亚胺复合薄膜体系中, 制得双层膜光热驱动软体致动器, 接着将软体致动器进行选择性剪切。当无外界光刺激时, 我们把该双层膜所呈现的信息定义为第一种假信息; 当外界相应波长的激发光刺激该软体致动器时, 该器件由于发生形变可以展示出另外一种信息,我们定义为第二种假信息; 由于不同的金纳米棒在相应波长光激发下才具有最高的光热转化效率, 因此通过红外相机所观察到的不同区域的温度呈现出一种新的图案, 我们定义为真信息, 起到信息示假隐真作用。实验结果表明: 未接受光照时, 软体致动器处于平整状态; 在相应波长激光刺激下, 被切割部分的软体致动器弯曲角可达到50°以上, 裸眼可以清晰地观测所显示信息;而通过红外相机观测到光热区域与非光热区域温度相差至少在10 ℃以上, 可以明显看到所显示的真信息。将软体致动器与信息示假隐真结合在一起, 具有新颖性, 而且效果明显, 为信息安全问题提供了一个新的解决方案。
信息安全 软体致动器 金纳米棒 光热效应 information security soft actuators gold nanorods photothermal effect
