寬頻納米結(jié)構(gòu)光天線特性的研究.pdf

1、天線是接收和發(fā)射電磁能量的工具，具有非常廣泛的應(yīng)用。光天線是一種能有效地將自由空間的電磁能量與局域場電磁能量相互轉(zhuǎn)化的有效工具。金屬納米光天線一般由納米量級的顆粒組成。在光頻，可以利用光學天線在納米尺度對光波進行調(diào)控?；诒砻娴入x激元的納米光天線的典型特性是能將自由空間的波長約束在亞波長尺度。納米天線對特定波長的輻射，具有強吸收和強散射的特性。這些特性使得納米天線在表面增強拉曼散射、熒光現(xiàn)象、化學生物傳感器、納米光刻、太陽能電池、光學顯

2、微鏡等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。而納米天線的該特性與粒子的大小、形狀、材料、介質(zhì)環(huán)境等因素緊密相關(guān)。
　　本文以蝴蝶結(jié)型結(jié)構(gòu)以及齒形對數(shù)周期結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。研究納米光天線的光學特性，其中包括Purcell因子效應(yīng)、多諧振場增強特性。旨在優(yōu)化天線的光學特性、深入研究對數(shù)周期納米天線的多諧振場增強特性以及石墨烯對數(shù)周期納米天線的多諧振場增強的可調(diào)特性。
　　特別是對石墨烯化學勢與其擬合介電常數(shù)的關(guān)系以及基于石墨的對數(shù)周期納米天線的

3、近場增強、雷達散射截面的研究，掌握石墨烯化學勢對其多諧振近場增強的調(diào)控規(guī)律，可以為制備可調(diào)寬頻帶納米光天提供新思路。為寬頻帶光天線在太陽能電池以及多次諧波發(fā)生器方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
　　本文的主要研究成果如下:
　　(1)基于Drude色散模型，利用時域有限差分方法建立了納米光天線的仿真和設(shè)計平臺。通過研究納米光天線的工作原理和結(jié)構(gòu)特性，探索了改進其光學特性的途徑和相關(guān)理論依據(jù)。
　　(2)針對蝴蝶結(jié)型納米結(jié)構(gòu)，計

4、算了其Purcell因子、近場分布以及天線效率，分析了蝴蝶結(jié)納米光天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其光學特性的影響，通過改變天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究了蝴蝶結(jié)型納米天線的光學特性與其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。
　　(3)根據(jù)對數(shù)周期納米結(jié)構(gòu)具有寬頻特性的特點，通過對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的對數(shù)周期納米結(jié)構(gòu)場增強及Purcell因子的計算，研究了其多諧振場增強特性與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。利用保角變換和天線在諧振頻率處對應(yīng)的近場分布解釋了對數(shù)周期納米光天線多諧振場增強的物理

5、機理，并將具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的蝴蝶結(jié)型納米天線與對數(shù)周期天線的場增強特性進行了對比研究。
　　(4)完成了單層石墨烯對數(shù)周期納米光天線的建模仿真，利用Drude模型擬合了單層石墨烯的介電常數(shù)，分析了其介電常數(shù)隨石墨烯化學勢的變化趨勢。用FDTD方法仿真計算了石墨烯對數(shù)周期納米光天線在不同化學勢下的場增強和雷達散射截面，分析了基于石墨烯的對數(shù)周期納米天在不同的化學勢下的多諧振場增強的特性，給出了石墨烯化學勢對其對諧振場增強的調(diào)控規(guī)律。

6、
　　本文的主要研究內(nèi)容是寬頻帶納米光天線，利用電磁仿真數(shù)值分析方法及理論分析方法對寬頻帶納米光天線進行理論分析和優(yōu)化，其創(chuàng)新點提現(xiàn)在以下三個方面:
　?、?用時域有限差分方法計算法分析了蝴蝶結(jié)型結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對蝴蝶結(jié)型納米金屬光天線的Purcell因子的影響，結(jié)果表明，蝴蝶結(jié)型納米金屬光天線Purcell因子受扇形厚度、扇形長度和扇形尖端益率半徑的影響較為明顯。其次，仿真了光天線的近場分布，發(fā)現(xiàn)了天線近場隨扇形結(jié)構(gòu)變化的規(guī)

7、律與其Purcell因子隨扇形結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律類似，發(fā)現(xiàn)了扇形表面的局域場與其結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系以及Purcell因子增強的內(nèi)在機制;最后計算了光天線的效率，發(fā)現(xiàn)天線效率隨扇形展開角增大而變小，但曲率半徑的變化對天線效率影響較小。這些結(jié)果對于蝴蝶結(jié)型納米金屬光天線的設(shè)計和分析具有重要意義。
　?、?設(shè)計了一種齒形對數(shù)周期納米光天線，并用時域有限差分方法進行了建模仿真。主要針對天線的場增強和Purcell因子效應(yīng)進行了仿真分析。根據(jù)仿真結(jié)

8、果獲得了其多諧振場增強特性與對數(shù)周期納米天線的外半徑、齒形展開角、相鄰齒的比例因子、齒的個數(shù)、扇形展開角、天線間距以及襯底等因素影響其多諧振場增強的規(guī)律。并通過近場分布以及保角變換分析了其多諧振場增強的特性。充分證實了通過調(diào)整天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以控制其多諧振場增強特性。最后通過與具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的蝴蝶結(jié)型納米光天線對比研究，為改進寬頻帶納米天線的光學特性奠定了理論基礎(chǔ)。
　?、?在金屬對數(shù)周期納米天線的基礎(chǔ)上，研究了基于石墨烯的對數(shù)

9、周期納米天線。通過久保公式計算了石墨烯表面電導率，利用Drude模型擬合了單層石墨烯在4-24 THz的介電常數(shù)。并在不同的石墨烯化學勢的條件下，分析了其介電常數(shù)的變化規(guī)律。仿真計算了在不同化學勢的條件下，石墨烯對數(shù)周期納米天線的場增強及雷達散射截面。通過仿真結(jié)果驗證了基于石墨烯的對數(shù)周期納米天線具有多諧振場增強特性。并且分析了場增強諧振頻率與石墨烯化學勢之間的關(guān)系。獲得了石墨烯化學勢對其多諧振場增強特性及雷達散射截面的調(diào)控規(guī)律。實現(xiàn)了