本文關(guān)鍵詞：異質(zhì)光學(xué)納米天線共振與偶極源輻射調(diào)控特性研究

  更多相關(guān)文章： 納米天線 表面等離子體共振 相稱共振 共振波長(zhǎng) 環(huán)形磁極矩

【摘要】：表面等離子體納米微腔、納米棒及其陣列是進(jìn)行光學(xué)納米天線設(shè)計(jì)的基本單元。由于表面等離子體納米天線可應(yīng)用于表面增強(qiáng)的拉曼散射、太陽(yáng)能利用、光學(xué)傳感、非線性增強(qiáng)以及成像等領(lǐng)域,因此得到了廣泛的研究。目前,理論上已經(jīng)能對(duì)單個(gè)納米棒共振波長(zhǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè),但對(duì)于對(duì)稱耦合納米棒及其異質(zhì)光學(xué)納米天線的有效理論研究卻依然缺乏。在金屬光學(xué)納米天線中,沿著徑向偏振的表面等離子體波在納米天線的末端面會(huì)有一個(gè)非常規(guī)的反射相位,這個(gè)相位變化與納米天線本身的結(jié)構(gòu)、端面特性、周圍介質(zhì)特性以及入射光的波長(zhǎng)等密切相關(guān)。然而在可見光頻段,由于納米天線較強(qiáng)的共振耦合作用,宏觀理論中末端面的反射系數(shù)、反射振幅及反射相位的一些方法不再適應(yīng)。因此,建立一套新的簡(jiǎn)潔有效的全解析或半解析理論來定性地描述納米天線的共振特性顯得十分必要。針對(duì)這一問題,本文發(fā)展了一套可適用于不同形狀和耦合方式的光學(xué)納米天線的電磁散射理論,并基于其研究了單個(gè)柱形金屬納米棒、二維金屬-介電-金屬(Metal-Dielectric-Metal,MDM)波導(dǎo)、耦合對(duì)稱和耦合非對(duì)稱圓形端面的金屬納米棒以及耦合納米盤等納米天線的共振特性。結(jié)合索末菲表面波理論和不同結(jié)構(gòu)納米天線內(nèi)部電磁場(chǎng)和外部電磁場(chǎng)的分布特點(diǎn),利用傳輸線理論和等效電路方法明確定義了納米天線臂末端面的復(fù)反射系數(shù)。通過該復(fù)反射系數(shù)計(jì)算出納米天線末端面的反射相位,最后利用Fabry-Pérot腔共振相位匹配條件預(yù)測(cè)出來納米天線的共振波長(zhǎng)。基于此,我們嚴(yán)格地分析和計(jì)算了不同納米天線結(jié)構(gòu)在不同參數(shù)(如納米天線材料、長(zhǎng)度和半徑,不同的背景介質(zhì)的介電常數(shù)等)條件下的共振波長(zhǎng),理論結(jié)果與三維全波電磁數(shù)值計(jì)算(基于COMSOL Multiphysics)吻合的很好。通過調(diào)節(jié)納米天線結(jié)構(gòu)參數(shù)可以得到特定波長(zhǎng)下的共振以及不同階數(shù)下同一波長(zhǎng)下的共振,我們實(shí)現(xiàn)了“相稱共振”,并驗(yàn)證了其中偶極輻射效率調(diào)控方面的增強(qiáng)效應(yīng)。最后,通過進(jìn)一步調(diào)整納米天線的長(zhǎng)徑比實(shí)現(xiàn)耦合納米盤天線,我們發(fā)現(xiàn)一種非常特殊的“環(huán)形磁場(chǎng)模式”。計(jì)算結(jié)果表明這種共振模式的模場(chǎng)分布于偶極輻射場(chǎng)可以高度匹配,因而在其作用下,偶極源的輻射衰減率會(huì)得到近三個(gè)量級(jí)的增強(qiáng)。本文研究結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)光學(xué)納米天線具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義,并對(duì)基于納米天線的表面光譜,發(fā)光特性,以及基于異質(zhì)納米微腔的相關(guān)光學(xué)效應(yīng)研究都有一定幫助。
【關(guān)鍵詞】：納米天線 表面等離子體共振 相稱共振 共振波長(zhǎng) 環(huán)形磁極矩
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN826
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 緒論9-14
• 1.1 課題背景及研究意義9-10
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與分析10-12
• 1.3 本課題的主要研究?jī)?nèi)容12-14
• 第2章 傳輸線理論和等效電路14-21
• 2.1 傳輸線理論14-18
• 2.1.1 傳輸線等效電路14-15
• 2.1.2 傳輸線方程15-17
• 2.1.3 反射系數(shù)17-18
• 2.2 單個(gè)納米球光散射的等效電路描述18-20
• 2.3 本章小結(jié)20-21
• 第3章 單個(gè)光學(xué)納米天線的共振特性21-32
• 3.1 電偶極子輻射基本特性21-22
• 3.2 單個(gè)棒狀光學(xué)納米天線的共振特性22-27
• 3.2.1 末端表面等離子體波反射系數(shù)22-24
• 3.2.2 理論及數(shù)值結(jié)果比較24-27
• 3.3 球形端面光學(xué)納米天線的共振特性27-31
• 3.3.1 納米球形顆粒的等效電路27-28
• 3.3.2 納米天線共振特性28-31
• 3.4 本章小結(jié)31-32
• 第4章 耦合納米天線的共振特性研究32-40
• 4.1 異質(zhì)納米天線的傳輸線與等效電路描述32-34
• 4.2 對(duì)稱耦合納米天線理論與數(shù)值結(jié)果34-36
• 4.3 非對(duì)稱耦合納米天線理論與數(shù)值結(jié)果36-39
• 4.3.1 理論預(yù)測(cè)與數(shù)值結(jié)果36-37
• 4.3.2 相稱共振理論37-39
• 4.4 本章小結(jié)39-40
• 第5章 耦合納米盤天線的共振特性40-52
• 5.1 二維MDM波導(dǎo)末端SP波散射特性40-46
• 5.1.1 末端SP波反射系數(shù)40-42
• 5.1.2 SP波電磁場(chǎng)及色散方程42-46
• 5.2 MDM波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)腔共振模的調(diào)制46-48
• 5.2.1 MDM波導(dǎo)中散射橫截面46-47
• 5.2.2 散射特性研究47-48
• 5.3 耦合納米盤結(jié)構(gòu)的輻射調(diào)制特性48-51
• 5.3.1 輻射衰減譜線的數(shù)值計(jì)算48-49
• 5.3.2 表面電荷及磁場(chǎng)分布49-51
• 5.4 本章小結(jié)51-52
• 結(jié)論52-53
• 參考文獻(xiàn)53-57
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文57-59
• 致謝59

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