纳米光学天线的理论与应用研究

发布时间：2017-04-11 06:08

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【摘要】：纳米光学天线虽然是传统射频微波天线在光频段的对应物,但其物理特性和标度行为却与传统天线有着很大的不同。例如,纳米光学天线利用金属结构中表面等离激元特有的光学特性,可以在光波段范围内对传播场与局域场(隐失场)进行有效的相互转换。此外,纳米光学天线在新型光源、高密度数据存储、光刻、太阳能电池、光学显微镜及拉曼散射等领域的应用前景都相当广泛。在纳米光学天线的研究中,由于需要在亚波长尺度实现光波的转换和增强,所以对其结构尺寸的设计和性能的优化始终是一个重要的挑战。本文针对纳米光学天线的物理特性及应用,主要从以下三个方面展开了研究:1)基于表面等离激元的物理学,对偶极子源与纳米光学天线的系统理论进行了详细阐述,并对球形和椭球形两种天线的珀赛尔因子以及效率这两个极为重要的物理量进行了研究,研究它们对偶极子源与天线之间的距离、天线半径以及入射光波长的依赖关系,计算出了不同金属在不同光波段下的介电常数,并使用Matlab对推导结果进行了验证。此外,还研究了不同材料下的球形纳米光学天线物理特性。2)采用时域有限差分法(FDTD),对工作于可见光和近红外光波段的偶极纳米光学天线的形状和尺寸进行研究,并且使用软件FDTD Solutions仿真了特殊结构的偶极天线,获得天线的珀赛尔因子和效率随入射光波长的变化规律,其中主要对偶极天线的尺寸,电偶极子源的位置等方面对天线特性的影响进行了仿真分析;然后增加天线阶数,逐渐过渡到蝶形天线,并对蝶形天线尖端角度的变化对天线特性的影响进行了介绍。通过对比分析,得到小角度的蝶形纳米光学天线的特性最佳,为最优结构。3)对纳米光学天线的应用进行了初步探索,首次提出了把光波导与纳米光学天线相结合,利用纳米光学天线对被探测的信号进行放大,再使用光波导构成的光子势阱,利用其共振效应对电磁信号段进行选择。为此,先从理论上论证了基于光波导的光子势阱模型,然后设计了系统模型,研究了光波导光子势阱问题,使用Matlab对影响透射系数的各种参量进行了仿真分析。
【关键词】：纳米光学天线 表面等离激元 天线效率 珀赛尔因子 光子势阱
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN820
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 纳米光学天线研究背景10-11
• 1.2 纳米光学天线定义11-12
• 1.3 纳米光学天线研究现状及应用12-16
• 1.3.1 纳米光学天线研究现状12-14
• 1.3.2 纳米光学天线的应用研究进展14-16
• 1.4 纳米光学天线的研究价值16
• 1.5 论文工作安排16-18
• 第二章 纳米光学天线的基本理论18-33
• 2.1 表面等离激元18-21
• 2.1.1 传导型表面等离激元18-20
• 2.1.2 局域表面等离激元20-21
• 2.2 MIE散射理论21-22
• 2.3 DRUDE-SOMMERFELD模型22-24
• 2.4 金属增强荧光作用24-25
• 2.4.1 距离对金属增强荧光作用的影响24-25
• 2.4.2 材料对金属增强荧光作用的影响25
• 2.5 纳米光学天线物理特性25-32
• 2.5.1 局域电磁态密度26-27
• 2.5.2 天线阻抗及功率损耗27-28
• 2.5.3 天线的效率、方向图及增益28-29
• 2.5.4 辐射增强29-31
• 2.5.5 天线孔径和吸收截面31-32
• 2.6 本章小结32-33
• 第三章 金属纳米颗粒天线特性研究33-47
• 3.1 球形金纳米光学天线特性分析33-39
• 3.1.1 理论介绍33-37
• 3.1.2 仿真分析37-39
• 3.2 椭球形金纳米光学天线特性分析39-43
• 3.2.1 理论介绍39-40
• 3.2.2 仿真分析40-43
• 3.3 几种材料的球形纳米光学天线特性比较43-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第四章 阶梯纳米光学天线特性研究47-70
• 4.1 一阶光偶极天线设计分析47-54
• 4.1.1 间隙尺寸对天线特性的影响48-50
• 4.1.2 电偶极子源位置对天线特性的影响50-51
• 4.1.3 天线半径对其特性的影响51-52
• 4.1.4 衬底对天线特性的影响52-54
• 4.2 高阶纳米光学偶极天线设计分析54-57
• 4.2.1 高阶纳米光学天线特性比较54-56
• 4.2.2 蝶形天线特性分析56-57
• 4.3 纳米光学天线的一个应用模型初探57-68
• 4.3.1 理论介绍57-62
• 4.3.2 共振透射仿真分析62-68
• 4.4 本章小结68-70
• 第五章 总结与展望70-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-77
• 研究生期间的研究成果77-78

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