納米天線的定向散射特性是微納光學(xué)領(lǐng)域最活躍的研究熱點之一,在表面增強拉曼散射、化學(xué)生物傳感器、太陽能電池和光學(xué)顯微鏡等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。由于納米天線散射的電磁場在遠(yuǎn)場會產(chǎn)生復(fù)雜的相干效應(yīng),因而導(dǎo)致遠(yuǎn)場輻射特性發(fā)生顯著變化,定向散射的機(jī)理和場增強效應(yīng)不十分清楚。本文從局域表面等離子體共振(Localized surface plasmon resonance,LSPR)基本原理出發(fā),采用數(shù)值計算方法對金屬-介電納米核殼二聚體、全介電納米天線和金屬-介電貼片型納米天線的近場和遠(yuǎn)場特性進(jìn)行系統(tǒng)研究,考察納米天線對光波的近場增強以及遠(yuǎn)場特性,包括對光波的散射效率、散射的方向性、極化特性等方面,闡明納米天線多模的相互作用與遠(yuǎn)場方向性散射之間的聯(lián)系,為新型納米天線的設(shè)計和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。提出一種Au-ITO-Ag對稱性破缺三層納米核殼結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明,入射光偏振方向、波長和尺寸等參數(shù)對LSPR共振模式及遠(yuǎn)場分布規(guī)律有顯著影響。偶極對稱模式隨金內(nèi)核半徑的增大而紅移,共振波長在可見光到近紅外波長范圍內(nèi)變化。電場輪廓增強分析表明,Ag外殼納米杯缺口處電場增強最顯著,對稱性破缺三層納米核殼不僅可以對光場的消光效率進(jìn)行調(diào)控,還可對遠(yuǎn)場散射的方向性產(chǎn)生影響。設(shè)計高介電硅十字架二聚體納米天線、空心納米盤光學(xué)天線和金屬-介電核殼納米盤天線,探索磁“熱點”形成機(jī)制。遠(yuǎn)場分布圖結(jié)果表明,硅十字架納米天線和空心納米盤光學(xué)天線能夠支持電偶極矩、磁偶極矩、電四極矩和磁四極矩等多個共振模式,實現(xiàn)遠(yuǎn)場單向性散射。電、磁偶極源的激勵對空心納米盤天線的共振模式響應(yīng)特性有調(diào)制作用,可增大珀塞爾系數(shù),增強磁偶極源的輻射衰減率。金屬-介電核殼納米盤天線可極大減小金屬損耗,并能夠保持LSPR特性。在804nm、924nm和952nm特定波長下,多極矩輻射能量耦合作用近似滿足Kerker條件,實現(xiàn)多波長遠(yuǎn)場單向性散射。研究還表明,硅-金核殼納米盤天線不僅遠(yuǎn)場激發(fā)可產(chǎn)生單向性散射,近場激發(fā)同樣可產(chǎn)生單向性輻射。將增益介質(zhì)和吸收介質(zhì)引入納米天線,構(gòu)建一個宇稱-時間(Parity-time,PT)對稱納米天線體系,深入研究PT對稱金屬-介電正方體核殼納米天線的近場和遠(yuǎn)場散射特性。結(jié)果表明,通過調(diào)節(jié)PT對稱納米天線體系的虛部可有效改變納米天線的遠(yuǎn)場散射特性;當(dāng)k=0.38和k=0.76時,分別實現(xiàn)前向散射和背向散射,表現(xiàn)為雙波長遠(yuǎn)場方向性輻射特性。研究電偶極源激發(fā)下PT對稱多層圓形和方形金屬-介電貼片型納米天線的腔模特性。基于腔模與偶極輻射源重疊程度和對稱性原理,通過改變偶極源位置,能夠選擇性地激發(fā)納米天線的腔模。研究表明,通過PT對稱多層方形金屬-介電貼片型天線的電共振和磁共振腔模耦合作用,能夠滿足Kerker條件,實現(xiàn)遠(yuǎn)場單向散射;調(diào)節(jié)PT對稱納米天線體系的虛部,實現(xiàn)遠(yuǎn)場能量由背向輻射到前向輻射的轉(zhuǎn)換。本文的研究方法和結(jié)果為設(shè)計和調(diào)控納米天線的光學(xué)性質(zhì)提供理論指導(dǎo),對拓寬LSPR的應(yīng)用領(lǐng)域和提高生物化學(xué)傳感器性能具有一定的參考價值。
【學(xué)位單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN820
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
創(chuàng)新點摘要
第一章 緒論
    1.1 課題研究的背景及意義
    1.2 表面等離激元和局域表面等離激元
        1.2.1 表面等離激元納米天線
        1.2.2 局域表面等離子體納米天線
    1.3 納米天線的類別及化學(xué)制備方法
        1.3.1 納米天線的類別
        1.3.2 納米天線的化學(xué)制備方法
    1.4 納米天線的應(yīng)用
    1.5 本文的主要研究內(nèi)容
第二章 納米天線的基本理論與研究方法
    2.1 引言
    2.2 表面等離子體相關(guān)原理
    2.3 納米天線的主要性能參數(shù)
        2.3.1 散射單向性
        2.3.2 衰減輻射率
        2.3.3 偏振特性
    2.4 光學(xué)共振模式的多極子展開
        2.4.1 理想多極子
        2.4.2 多極子展開方法
    2.5 電磁場研究中的數(shù)值方法
        2.5.1 有限元理論基礎(chǔ)
        2.5.2 有限元建模
    2.6 本章小結(jié)
第三章 對稱性破缺納米核殼二聚體的近場和方向性散射特性
    3.1 引言
    3.2 對稱性破缺三層納米核殼的消光特性
        3.2.1 共振模式不同時納米核殼二聚體的消光性
        3.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對納米核殼二聚體消光性能的影響
    3.3 對稱性破缺三層納米核殼的電場增強和電荷分布特性
    3.4 對稱性破缺三層納米核殼的遠(yuǎn)場分布特性
    3.5 本章小結(jié)
第四章 全介電和介電-金屬納米天線的多波長單向散射特性
    4.1 引言
    4.2 硅十字架二聚體的單向性納米天線
        4.2.1 硅十字架二聚體的散射特性
        4.2.2 硅十字架二聚體的近場特性
        4.2.3 硅十字架二聚體的遠(yuǎn)場特性
    4.3 硅空心納米盤天線的單向性納米天線
        4.3.1 硅空心納米盤的散射特性
        4.3.2 硅空心納米盤的近場特性
        4.3.3 硅空心納米盤的遠(yuǎn)場特性
    4.4 金屬-高介電核殼結(jié)構(gòu)納米盤的零背向散射特性納米天線
        4.4.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對納米盤散射特性的影響
        4.4.2 核殼結(jié)構(gòu)納米盤的零背向散射特性
        4.4.3 尺寸不同時核殼結(jié)構(gòu)納米盤的散射特性
        4.4.4 核殼結(jié)構(gòu)納米盤的遠(yuǎn)場分布特性
    4.5 本章小結(jié)
第五章 PT對稱的金屬-介電復(fù)合納米天線的單向散射調(diào)控特性
    5.1 引言
    5.2 PT對稱的金屬-介電正方體核殼二聚體的消光特性
        5.2.1 增益和損耗系數(shù)k對散射、吸收及消光截面的影響
        5.2.2 正方體核殼二聚體的近場特性
        5.2.3 正方體核殼二聚體的遠(yuǎn)場特性
    5.3 PT對稱的金屬-介電貼片型納米天線的光學(xué)特性
        5.3.1 圓盤納米天線的腔模特性
        5.3.2 方形納米天線的腔模特性
        5.3.3 方形納米天線的單向性散射調(diào)控
    5.4 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
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本文編號：2851091