异质光学纳米天线共振与偶极源辐射调控特性研究

发布时间：2017-10-08 02:06

  本文关键词：异质光学纳米天线共振与偶极源辐射调控特性研究

  更多相关文章： 纳米天线 表面等离子体共振 相称共振 共振波长 环形磁极矩

【摘要】：表面等离子体纳米微腔、纳米棒及其阵列是进行光学纳米天线设计的基本单元。由于表面等离子体纳米天线可应用于表面增强的拉曼散射、太阳能利用、光学传感、非线性增强以及成像等领域,因此得到了广泛的研究。目前,理论上已经能对单个纳米棒共振波长进行准确预测,但对于对称耦合纳米棒及其异质光学纳米天线的有效理论研究却依然缺乏。在金属光学纳米天线中,沿着径向偏振的表面等离子体波在纳米天线的末端面会有一个非常规的反射相位,这个相位变化与纳米天线本身的结构、端面特性、周围介质特性以及入射光的波长等密切相关。然而在可见光频段,由于纳米天线较强的共振耦合作用,宏观理论中末端面的反射系数、反射振幅及反射相位的一些方法不再适应。因此,建立一套新的简洁有效的全解析或半解析理论来定性地描述纳米天线的共振特性显得十分必要。针对这一问题,本文发展了一套可适用于不同形状和耦合方式的光学纳米天线的电磁散射理论,并基于其研究了单个柱形金属纳米棒、二维金属-介电-金属(Metal-Dielectric-Metal,MDM)波导、耦合对称和耦合非对称圆形端面的金属纳米棒以及耦合纳米盘等纳米天线的共振特性。结合索末菲表面波理论和不同结构纳米天线内部电磁场和外部电磁场的分布特点,利用传输线理论和等效电路方法明确定义了纳米天线臂末端面的复反射系数。通过该复反射系数计算出纳米天线末端面的反射相位,最后利用Fabry-Pérot腔共振相位匹配条件预测出来纳米天线的共振波长。基于此,我们严格地分析和计算了不同纳米天线结构在不同参数(如纳米天线材料、长度和半径,不同的背景介质的介电常数等)条件下的共振波长,理论结果与三维全波电磁数值计算(基于COMSOL Multiphysics)吻合的很好。通过调节纳米天线结构参数可以得到特定波长下的共振以及不同阶数下同一波长下的共振,我们实现了“相称共振”,并验证了其中偶极辐射效率调控方面的增强效应。最后,通过进一步调整纳米天线的长径比实现耦合纳米盘天线,我们发现一种非常特殊的“环形磁场模式”。计算结果表明这种共振模式的模场分布于偶极辐射场可以高度匹配,因而在其作用下,偶极源的辐射衰减率会得到近三个量级的增强。本文研究结果对于设计光学纳米天线具有很强的指导意义,并对基于纳米天线的表面光谱,发光特性,以及基于异质纳米微腔的相关光学效应研究都有一定帮助。
【关键词】：纳米天线 表面等离子体共振 相称共振 共振波长 环形磁极矩
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN826
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 课题背景及研究意义9-10
• 1.2 国内外研究现状与分析10-12
• 1.3 本课题的主要研究内容12-14
• 第2章 传输线理论和等效电路14-21
• 2.1 传输线理论14-18
• 2.1.1 传输线等效电路14-15
• 2.1.2 传输线方程15-17
• 2.1.3 反射系数17-18
• 2.2 单个纳米球光散射的等效电路描述18-20
• 2.3 本章小结20-21
• 第3章 单个光学纳米天线的共振特性21-32
• 3.1 电偶极子辐射基本特性21-22
• 3.2 单个棒状光学纳米天线的共振特性22-27
• 3.2.1 末端表面等离子体波反射系数22-24
• 3.2.2 理论及数值结果比较24-27
• 3.3 球形端面光学纳米天线的共振特性27-31
• 3.3.1 纳米球形颗粒的等效电路27-28
• 3.3.2 纳米天线共振特性28-31
• 3.4 本章小结31-32
• 第4章 耦合纳米天线的共振特性研究32-40
• 4.1 异质纳米天线的传输线与等效电路描述32-34
• 4.2 对称耦合纳米天线理论与数值结果34-36
• 4.3 非对称耦合纳米天线理论与数值结果36-39
• 4.3.1 理论预测与数值结果36-37
• 4.3.2 相称共振理论37-39
• 4.4 本章小结39-40
• 第5章 耦合纳米盘天线的共振特性40-52
• 5.1 二维MDM波导末端SP波散射特性40-46
• 5.1.1 末端SP波反射系数40-42
• 5.1.2 SP波电磁场及色散方程42-46
• 5.2 MDM波导结构参数对腔共振模的调制46-48
• 5.2.1 MDM波导中散射横截面46-47
• 5.2.2 散射特性研究47-48
• 5.3 耦合纳米盘结构的辐射调制特性48-51
• 5.3.1 辐射衰减谱线的数值计算48-49
• 5.3.2 表面电荷及磁场分布49-51
• 5.4 本章小结51-52
• 结论52-53
• 参考文献53-57
• 攻读学位期间发表的学术论文57-59
• 致谢59

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