近日，我们光场调控与智能光子学团队在叶绿素非线性光传输研究中取得重要进展，展示了激光在叶绿素溶液中的针状光传输且可诱导叶绿素荧光呈现类波导效应，并揭示了溶液的非线性强度与浓度之间存在指数变化关系，为理解激光的非线性自陷与荧光传播的关系提供新的视角。相关成果已被数理权威期刊《Chaos, Solitons & Fractals》(中科院一区Top)接收发表，题为"Nonlinear self-trapping and fluorescence excitation in Chlorophyll solution"。

在复杂的液体环境中，光束的传输存在极强的散射效应，为解决这一难题传统做法是通过在溶液中添加米氏（Mie）粒子，通过光学梯度力和散射力调节粒子分布，从而抵消防止光束自捕获的散射效应。然而，由于米氏粒子的非线性响应较低，通常需要极高的光学功率形成光波导。对此，“在低功率激光的条件下是否也可在溶液中形成稳定的波导结构？”成为了关键问题。

为探究这一问题，研究团队聚焦于光合作用中的必要色素——叶绿素（Chlorophyll），一种分子级别并可以通过光热效应驱动的粒子。通过高精度仪器的测量，研究人员对叶绿素溶液中的非线性光学效应进行了多次的实验与分析。实验发现，通过增加激光功率，光束可以在叶绿素溶液中抵抗强散射效应，并通过光热效应诱导的光学非线性在低功率（11mW）下形成波导结构。Z扫描测量结果表明，随着浓度的提升，溶液的非线性响应增加，并呈现出指数增长趋势。此外，叶绿素荧光在激光诱导下可呈现出相同的传输模式，表现出类似的非线性效应，且荧光强度随光束入输功率的增加而非线性增强。

图 3 叶绿素溶液中的荧光类波导传输

本研究揭示了叶绿素溶液中的可调光热效应（Photothermal effect）与光学非线性（Optical nonlinearity）响应，这一发现解决了在低功率激光下形成波导的难题，并且通过改变叶绿素浓度调节光束的最佳自陷功率，实现了激光在溶液中的无失真传输。此外，结合叶绿素特有的叶绿素荧光，实现了弱荧光在光热效应引导下的定向传输。这些发现将为生物医学提供一种高效、无创且生物相容的检测方法，并为绿色产业的发展铺平了道路。

工作得到了广西自然科学基金、国家自然科学基金等项目资助。

论文作者：梁显扬（硕士生），田璐（硕士生），张佩羽（硕士生），陈凯健（硕士生），邹炳锁，洪佩龙（通讯作者），任煜轩，梁毅（通讯作者）。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.chaos.2025.116380