本文選題：金屬納米顆粒 + 局域表面等離子體共振�。� 參考：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：光學(xué)天線能夠?qū)崿F(xiàn)局域光頻電磁能量與遠(yuǎn)場傳播光場能量之間的高效、定向性轉(zhuǎn)換。由于金屬局域表面等離激元共振的影響,光學(xué)天線在近場能量饋入,工作波長以及耦合方式等方面與微波天線有很大不同。基于這些特點,光學(xué)天線在增強分子熒光輻射,納米尺度光束方向調(diào)制,突破衍射極限的光學(xué)成像等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性質(zhì),被認(rèn)為是現(xiàn)代光學(xué)發(fā)展的重要方向之一。本論文針對光學(xué)天線體系中共振耦合特性進行研究分析,重點開展了天線結(jié)構(gòu)對于熒光分子發(fā)光增強,熒光分子輻射方向控制,類量子效應(yīng)等方面的研究。 本論文主要研究成果如下： 1.研究了熒光分子與不同光學(xué)天線結(jié)構(gòu)相互耦合的熒光增強,以及輻射方向的調(diào)控,設(shè)計了超小型耦合金屬棒納米光學(xué)天線,在熒光分子激發(fā)和輻射波長具有局域等離子體雙共振特性,并進一步探討了其對熒光分子激發(fā)和輻射方向性的影響,以及組陣天線結(jié)構(gòu)對天線方向性的增強特性。 2.基于并矢格林函數(shù)理論方法,系統(tǒng)研究了不同偏振的偶極子點源與不同材料的半無限大介面相互作用的機理過程,分析了水平和垂直方向偶極子場對稱性不同對于輻射效應(yīng)的影響,并基于此設(shè)計了一種可主動調(diào)控輻射方向的光學(xué)天線結(jié)構(gòu)。 3.通過對圓偏振偶極子角譜特性研究,發(fā)現(xiàn)該偏振的偶極子能夠很好地單向激發(fā)導(dǎo)波模式,基于此設(shè)計了一種產(chǎn)生渦旋場的簡單光學(xué)天線,其作用與圓偏振偶極子類似,可有效地用以激發(fā)高定向性的導(dǎo)波模式。 4.利用金屬光學(xué)天線結(jié)構(gòu)中的明、暗模式相互疊加,數(shù)值分析研究了T型納米顆粒中的Fano共振效應(yīng),并通過諧振子模型給出了對應(yīng)解釋。研究了不同耦合點對應(yīng)的模式耦合強度的區(qū)別,發(fā)現(xiàn)了T型耦合結(jié)構(gòu)具有更大的耦合強度,同時這種構(gòu)型對光譜和位置信息都可以提供更高的折射率傳感靈敏度。 5.使用數(shù)值算法研究了表面等離子體法珀腔模和局域納米線磁模式的強耦合過程,并與經(jīng)典原子-腔強耦合體系中的極子模型(Polariton Model)獲得的結(jié)果一致。利用這種結(jié)構(gòu)得到了845倍的局域磁場增強和280meV的Rabi分裂。 本論文的創(chuàng)新點和特色： 1.提出了基于調(diào)制偶極子偏振特性的納米尺度光束操控結(jié)構(gòu)。通過改變圓偏振偶極子和金屬襯底之間的相互距離,可以獲得單向性較好并且輻射方向可調(diào)的遠(yuǎn)場出射光；通過構(gòu)造合適的納米天線結(jié)構(gòu),模擬圓偏振偶極子的作用,實現(xiàn)定向激發(fā)導(dǎo)波模式。 2.設(shè)計了一種可用于熒光分子探測的雙共振光學(xué)天線結(jié)構(gòu)。該天線的兩個共振峰可通過改變天線結(jié)構(gòu)尺寸獨立調(diào)節(jié),以適應(yīng)不同熒光分子的激發(fā)和輻射能級。同時,該結(jié)構(gòu)也可對熒光分子激發(fā)光和輻射光的遠(yuǎn)場方向進行獨立調(diào)節(jié),空間上將激發(fā)光散射噪聲和熒光分子輻射的信號有效分離,可用于高性噪比的熒光探測。 3.基于光學(xué)天線模式特點與原子能級結(jié)構(gòu)的相似性,數(shù)值上通過設(shè)計相應(yīng)光學(xué)天線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了Fano共振和強耦合這兩種量子效應(yīng)。提出了一種對光譜和位置信息都敏感的局域折射率傳感方法。獲得了280meV的Rabi分裂。為傳統(tǒng)的量子效應(yīng)提供了光學(xué)天線這一新的研究平臺。
[Abstract]:Optical antenna can achieve between local optical frequency electromagnetic energy and far-field optical field propagation energy efficient, directional conversion. Due to the influence of metal localized surface plasmon resonance, optical antenna in near field energy feed, working wavelength and coupling modes are very different with the microwave antenna. Based on these characteristics, optical antenna the enhanced fluorescence radiation, beam direction of nano scale modulation, optical imaging and other aspects beyond the diffraction limit exhibit excellent properties, is considered to be one of the important direction of the development of modern optics. This paper analyses the coupling characteristics of resonant optical antenna system, focusing on the antenna structure for fluorescence emission enhancement, fluorescence control molecular radiation research, quantum effects and so on.
In this paper, the main research results are as follows:
1. of the fluorescent molecules with different fluorescence optical antenna structure coupling enhancement, and the regulation of radiation, the ultra small metal rod coupling optical nano antenna design, as fluorescence excitation and radiation wavelength with local plasma double resonance characteristics, and further discusses its influence on the fluorescence excitation and radiation direction, and antenna array structure to enhance antenna directivity.
2. based on the theory and the dyadic Green function method, systematically studies the mechanism of semi infinite interface dipole interacting point source with different polarizations with different materials, analyzes the horizontal and vertical dipole field symmetry has different effects on the radiation effect, and design an active control radiation optical antenna structure based on this.
3. through the study of spectral characteristics of circularly polarized dipole dipole polarization angle, found the good unidirectional excitation of guided wave mode, based on the design of a simple optical antenna to form a vortex field, its function and the circular polarization dipole is similar, can be used to stimulate highly directional guided wave mode.
4. the use of metal optical antenna structure in the Ming Dynasty, dark mode superposition, numerical analysis of Fano type resonance of T nanoparticles, and the oscillator model gives the corresponding explanation. The difference of the mode coupling strength corresponding to different coupling point, found the T type coupling structure has larger coupling intensity at the same time, the configuration of the spectrum and the location information can provide the higher refractive index sensing sensitivity.
5. the use of strong coupling numerical algorithm on surface plasmon F-P cavity mode and local mode of magnetic nanowires, and dipole model and classical atom cavity coupling in the system (Polariton Model) consistent with the results obtained by using this structure. Local magnetic field 845 times enhancement and 280meV Rabi division.
The characteristics and innovation of this paper:
1. the polarization characteristics of modulation dipole nano scale beam control structure based on. By changing the distance between the circular polarization dipole and the metal substrate, can obtain better light radiation and one-way direction adjustable far field; by constructing appropriate nano antenna structure, simulation of circular polarization dipole, directional excitation the guided wave mode.
2. can be used to design a double resonance optical antenna structure fluorescence detection. The two resonant peaks of the antenna by changing the antenna size independent regulation, in order to adapt to the different fluorescence excitation and radiation level. At the same time, the structure can also be of far field fluorescence excitation light and radiation are independent regulation, effective separation of signal space will stimulate light scattering noise and fluorescence, fluorescence can be used for high SNR detection.
3. based on the similarity of the optical antenna pattern characteristics and the structure of atom, numerically by designing the corresponding optical antenna structure of the Fano resonance and strong coupling of these two kinds of quantum effects. A local index is sensitive to spectral and location information rate sensing method was 280meV. Rabi provides the optical antenna division. This is a new research platform for traditional quantum effects.

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN820

【共引文獻】

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本文編號：1758534