本文選題：光學天線 + 表面等離激元��； 參考：《中國科學技術大學》2016年博士論文

【摘要】：基于光學天線調控的光輻射及其應用是微納光學研究的熱點之一。光學天線可以對光場進行高效地耦合與高度地局域化,是一種實現(xiàn)自由空間傳播光場和局域光場之間高效轉換的納米結構,是連接兩者之間的橋梁。由于光學天線具有很高的局域場增強和很好的方向性等特點,利用光學天線可以實現(xiàn)局域量子點發(fā)光的高效定向輻射。因此光學天線在電磁能量耦合、轉化以及相干控制的過程中可以起到至關重要的調控與放大作用,在超靈敏單分子探測、局域激射(單光子源)、納光電子集成芯片、量子調控等方面都具有很重要的應用。本論文圍繞光學天線調控增強發(fā)光的基本物理過程,研究了光學天線調控的自發(fā)輻射增強效應、輻射效率、方向性,以及光學天線結構中的磁模式、非局域效應對其輻射調控的影響。本論文的主要研究工作如下：1.基于多球并矢格林函數的解析算法,分析了偶極子光源與金屬-介質復合光學天線的相互作用過程。引入輻射增強因子來綜合考察光學天線調控的自發(fā)輻射增強與輻射效率。進而設計了由銀納米球與介質納米球組成的金屬-介質復合光學天線,實現(xiàn)了寬譜的高Purcell因子與高效輻射。2.研究了貼片光學天線結構中的模式特性及其光輻射調控。構造了銀納米球與雙曲超材料多層膜耦合的貼片光學天線。通過調節(jié)銀納米球的大小以及多層膜中銀膜與硅膜的厚度比例,增強了雙曲超材料中體模式的激發(fā)。引入磁模式來增加光學天線對光輻射的調控途徑,設計了支持多種間隔層模式(gap mode)的銀納米長方體貼片光學天線,利用非對稱電偶極子激發(fā)該光學天線的電模式與磁模式共振耦合,實現(xiàn)了貼片光學天線調控的單向輻射。3.基于局域近似模型,以銀納米長方體組成的二聚體光學天線為例,研究了間隔層中的非局域效應。分析了在電偶極子與磁偶極子的不同激發(fā)方式下,不同間隔層參數(厚度、折射率)下非局域效應對光學天線調控的輻射特性的影響。討論了非局域效應引入后,光學天線對自發(fā)輻射增強調控的強度與共振譜的變化。本論文的創(chuàng)新點和特色：1.通過引入金屬-介質復合光學天線結構,以解決金屬結構光學天線損耗高,介質結構光學天線自發(fā)輻射增強低的矛盾問題,設計優(yōu)化金屬-介質復合光學天線的結構參數,實現(xiàn)了寬譜的高效率高增強輻射。2.引入磁模式,設計了銀納米長方體貼片光學天線。采用非對稱的激發(fā)方式,通過調節(jié)銀納米長方體的尺寸結構,使得電模式與磁模式共振耦合,實現(xiàn)了面內的單向輻射。3.在具有極小間隔層的光學天線結構中,引入非局域效應的影響。研究了電偶極子和磁偶極子激發(fā)下,間隔層中的非局域效應。對比分析了不同間隔層參數(厚度、折射率)下非局域效應對光學天線調控的輻射特性的影響。
[Abstract]:Optical radiation based on optical antenna regulation and its application is one of the hotspots in micro-nano optics research. Optical antenna can efficiently couple and localize the light field. It is a kind of nanostructure which can realize the efficient conversion between the free space propagation light field and the local light field. It is a bridge connecting the two fields. Because the optical antenna has the characteristics of high local field enhancement and good directivity, the high efficiency directional radiation of local quantum dot luminescence can be realized by using the optical antenna. Therefore, the optical antenna can play an important role in controlling and amplifying the electromagnetic energy coupling, conversion and coherence control, in the hypersensitive monolayer detection, local excitation (single photon source, nanoptoelectronic integrated chip), the optical antenna can play an important role in the process of electromagnetic energy coupling, conversion and coherence control. Quantum regulation and other aspects have very important applications. This paper focuses on the basic physical process of optical antenna regulation enhancement luminescence, studies the spontaneous emission enhancement effect, radiation efficiency, directivity and magnetic mode in the optical antenna structure. Effects of nonlocal effects on radiation regulation. The main research work of this thesis is as follows: 1. Based on the analytical algorithm of multi-sphere dyadic Green's function, the interaction process between dipole light source and metal-dielectric composite optical antenna is analyzed. Radiation enhancement factor is introduced to investigate the spontaneous emission enhancement and radiation efficiency of optical antenna. Furthermore, the metal-dielectric composite optical antenna composed of silver nanospheres and dielectric nanospheres is designed. The high Purcell factor and high efficiency radiation of wide spectrum are realized. The mode characteristics and optical radiation regulation in the structure of patch optical antenna are studied. A patch optical antenna coupled with hyperbolic supermaterial multilayer film was constructed. By adjusting the size of silver nanospheres and the thickness ratio of silver film to silicon film in the multilayer film, the excitation of bulk mode in hyperbolic supermaterial was enhanced. The magnetic mode is introduced to increase the optical radiation regulation of optical antenna. A silver nano-cuboid patch optical antenna supporting multiple spacer modes is designed. An asymmetric electric dipole is used to excite the resonant coupling between the electric mode and the magnetic mode of the optical antenna, and the unidirectional radiation of the patch optical antenna is realized. Based on the local approximation model, the nonlocal effect in the spacer is studied by taking the dimer optical antenna composed of silver nanocrystalline cuboids as an example. The influence of nonlocal effects on the radiation characteristics of optical antenna controlled by different spacer parameters (thickness and refractive index) under different excitation modes of electric dipole and magnetic dipole is analyzed. The change of intensity and resonance spectrum of the enhancement of spontaneous emission by optical antenna after the introduction of nonlocal effect is discussed. The innovation and characteristic of this thesis: 1. The structure of metal-dielectric composite optical antenna is introduced to solve the problems of high loss of metal structure optical antenna and low spontaneous emission enhancement of dielectric structure optical antenna. The structural parameters of metal-dielectric composite optical antenna are designed and optimized. A wide spectrum of high efficiency and high enhancement radiation. 2. A silver nano cuboid patch optical antenna is designed by introducing magnetic mode. By adjusting the size structure of silver nanocrystalline cuboids by asymmetric excitation mode, the resonant coupling of electric mode and magnetic mode is realized, and the in-plane unidirectional radiation. 3 is realized. The influence of nonlocal effect is introduced in the structure of optical antenna with minimal spacer. The nonlocal effects in the spacer excited by electric dipole and magnetic dipole are studied. The effects of nonlocal effects on the radiation characteristics of optical antennas under different spacer parameters (thickness and refractive index) are compared and analyzed.
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN820

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本文編號：1894346