圆极化光学天线的计算与研究

发布时间：2017-06-02 07:00

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【摘要】：摘要：纳米光学天线是近年来刚刚兴起的一门新兴学科,其工作频段处于光频段,与工作在射频频段的传统天线主要差别在于其采用的构建材料有较强的吸收以及独特的色散特性,在可见光和近红外区,其采用的贵金属材料的介电常数的实部为负,从而导致表面等离子体共振现象,出现了与采用可以看成理想导体的金属材料的传统天线不同的独特特性。在量子信息技术,生命科学研究,生物传感等领域中有着重要的应用价值。由于传统天线经过了一百多年的发展过程,已经建立了成熟的设计和测试的体系。因此,在研究光学天线时,借鉴传统天线的概念和设计方法,是十分必要的,但不能不假思索的直接套用传统天线的结果。本文通过回顾几种常见的线极化天线指出了纳米天线与传统天线异同点,探讨了形状,尺寸等因素对天线性能的影响；计算了几种不同结构的圆极化光学天线,并优化和分析了圆极化六臂螺旋光学天线,在此基础上,设计出了一种具有单向辐射特性的纳米折射率传感器,具体内容如下：本文首先回顾了双纳米棒偶极子,蝴蝶结形,双锥形三种常见的线极化纳米天线,分析了不同结构、尺寸等因素对天线性能影响。并与采用理想导体的传统天线进行比较,探讨了纳米天线与传统天线异同,为纳米天线设计的提供了理论线索。其次本文计算了两种宽带圆极化螺旋天线：平面等角螺旋天线和平面等距螺旋天线。在此基础上,本文设计并优化了具有背腔结构的圆极化六臂螺旋光学天线。仿真结果表明：天线可以在近场和远场之间实现线极化到圆极化的转换,具有接近于1的轴比,并具有单向辐射特性,而近场场增强也可以到30倍左右。最后本文设计了一种折射率传感器,它是由圆柱形金属-介质-金属夹层结构的探头和具有背腔结构的六臂螺旋天线两部分构成,其中探头放置于螺旋天线的中央圆孔内,探头夹层填充待测材料,这样通过测量传感器的远场可得知探头夹芯层即传感区的折射率。仿真结果表明：这种纳米折射率探头借助螺旋天线可将纳米探头的传感信号放大千倍以上,激励光路与测量光路互逆,极化方向相互垂直,可有效的抑制激励光源所带来的干扰,同时可以实现对体积为数千立方纳米物质的折射率进行实时测量,可用于生物、化学领域的微量检测。
【关键词】：纳米光学天线 圆极化 宽带 高场增强 表面等离子体共振
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN820
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 纳米天线研究背景11-13
• 1.2 纳米天线与金属表面等离子体共振13-14
• 1.2.1 表面等离子体共振原理13-14
• 1.2.2 表面等离子的应用14
• 1.3 纳米折射率传感器14-15
• 1.4 本文主要内容和结构15-17
• 第二章 纳米天线研究方法17-26
• 2.1 纳米天线基本理论17-21
• 2.1.1 天线特征参数17-20
• 2.1.2 天线的互易性20-21
• 2.2 纳米天线计算和仿真方法21-25
• 2.2.1 常见的数值分析方法21-24
• 2.2.2 纳米天线仿真24-25
• 2.2.3 本文采用的计算方法25
• 2.3 本章小结25-26
• 第三章 几种常见线极化天线26-35
• 3.1 天线设计的基本理论26-27
• 3.2 双金属棒纳米天线27-30
• 3.3 不同结构的纳米天线特性30-34
• 3.3.1 蝴蝶结形天线30-32
• 3.3.2 双锥天线32-34
• 3.4 纳米天线与传统天线的比较34
• 3.5 本章小结34-35
• 第四章 圆极化宽带纳米天线35-55
• 4.1 圆极化平面螺旋天线35-40
• 4.1.1 平面等角螺旋天线35-37
• 4.1.2 平面等距螺旋天线37-40
• 4.2 带背腔的近场圆极化六臂等距螺旋天线40-44
• 4.3 纳米天线的应用实例44-54
• 4.3.1 纳米折射率传感器的设计44-47
• 4.3.2 纳米折射率传感器的优化47-53
• 4.3.3 纳米折射率传感器特点53-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第五章 总结与展望55-57
• 5.1 本论文主要工作55-56
• 5.2 展望与建议56-57
• 参考文献57-61
• 作者简历61-63
• 学位论文数据集63

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