納米金屬光天線的特性研究.pdf

1、隨著近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的發(fā)明和納米技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)金屬有了新的認(rèn)識(shí)，近年來，人們?cè)絹碓蕉嗟仃P(guān)注金屬納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)，并開創(chuàng)了一個(gè)全新的研究方向：表面等離激元學(xué)（Plasmonic）。由于金屬材料的介電常數(shù)在可見光和紅外波段為負(fù)數(shù)，當(dāng)光入射到金屬與介質(zhì)分界面時(shí)，金屬表面的自由電子隨電場(chǎng)振蕩，如果電子的振蕩頻率與入射電磁波的頻率一致就會(huì)產(chǎn)生共振，這時(shí)就形成一種特殊的電磁模式：表面等離激元（SPPs）。由于SPPs的強(qiáng)局域特性可以突破衍射極限

2、、減小拐角散射并且在納米尺度上進(jìn)行傳播，有可能制造出亞波長的光學(xué)器件并實(shí)現(xiàn)電路與光路的一體化，因此具有廣泛的應(yīng)用前景，例如亞波長光學(xué)、光存儲(chǔ)、新型芯片、光刻蝕和生物光學(xué)等。光天線是一種由金屬納米微粒構(gòu)成的，由于SPPs作用，可以有效地將自由空間中的輻射能量耦合在亞波長尺度空間內(nèi)的裝置。光天線的研究對(duì)于近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的發(fā)展，提高光存儲(chǔ)能力，太陽能的利用等都有很大的促進(jìn)作用。 本文主要研究了單粒子光天線和雙粒子光天線的近場(chǎng)電場(chǎng)增強(qiáng)和

3、遠(yuǎn)場(chǎng)輻射的性質(zhì)，選擇兩種不同結(jié)構(gòu)：納米棒和橢球體，作為構(gòu)成光天線的基本結(jié)構(gòu)。本論文的主要內(nèi)容分為以下四個(gè)部分： （1）在論文的第一章介紹了本論文的研究背景和研究意義。 本章首先介紹了表面等離激元和光天線的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀，然后介紹了本文的研究目的及意義，最后介紹本文的研究內(nèi)容。 （2）在論文的第二章詳細(xì)介紹了時(shí)域有限差分（FDTD）方法。 本章開始部分簡要介紹了光學(xué)仿真中常用的幾種數(shù)值分析方法，并比較了各種

4、方法的優(yōu)缺點(diǎn)；然后對(duì)FDTD基本算法進(jìn)行了詳細(xì)討論，介紹了FDTD算法的中心差分迭代公式，對(duì)FDTD算法中的PML吸收邊界條件、激勵(lì)源的設(shè)置、數(shù)值穩(wěn)定性等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了討論；最后對(duì)金屬材料的色散模型進(jìn)行了介紹，并擬合出合適的Drude金屬模型參數(shù)。 （3）在論文的第三章對(duì)單粒子和雙粒子光天線的近場(chǎng)性質(zhì)進(jìn)行了分析。 本章分別討論單粒子光天線和雙粒子光天線的不同參數(shù)對(duì)近場(chǎng)電場(chǎng)影響，仿真結(jié)果表明，選擇合適的結(jié)構(gòu)尺寸和入射波長可以

5、改變納米金屬光天線表面的能量分布，使近場(chǎng)局域電場(chǎng)強(qiáng)度可以增強(qiáng)數(shù)百倍。 （4）在論文的第四章對(duì)單粒子和雙粒子光天線的遠(yuǎn)場(chǎng)性質(zhì)進(jìn)行了分析。 本章分別討論單粒子光天線和雙粒子光天線的不同參數(shù)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射的影響，計(jì)算結(jié)果表明，不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以影響單粒子光天線的輻射方向，而對(duì)雙粒子光天線的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向沒有影響，選擇合適結(jié)構(gòu)尺寸可以提高光天線的輻射效率和輻射強(qiáng)度。 綜上所述，本論文應(yīng)用FDTD方法較為全面深入地研究了納米金屬光