異質(zhì)光學(xué)納米天線共振與偶極源輻射調(diào)控特性研究.pdf

1、表面等離子體納米微腔、納米棒及其陣列是進(jìn)行光學(xué)納米天線設(shè)計(jì)的基本單元。由于表面等離子體納米天線可應(yīng)用于表面增強(qiáng)的拉曼散射、太陽(yáng)能利用、光學(xué)傳感、非線性增強(qiáng)以及成像等領(lǐng)域，因此得到了廣泛的研究。目前，理論上已經(jīng)能對(duì)單個(gè)納米棒共振波長(zhǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，但對(duì)于對(duì)稱耦合納米棒及其異質(zhì)光學(xué)納米天線的有效理論研究卻依然缺乏。在金屬光學(xué)納米天線中，沿著徑向偏振的表面等離子體波在納米天線的末端面會(huì)有一個(gè)非常規(guī)的反射相位，這個(gè)相位變化與納米天線本身的結(jié)構(gòu)、端

2、面特性、周圍介質(zhì)特性以及入射光的波長(zhǎng)等密切相關(guān)。然而在可見光頻段，由于納米天線較強(qiáng)的共振耦合作用，宏觀理論中末端面的反射系數(shù)、反射振幅及反射相位的一些方法不再適應(yīng)。因此，建立一套新的簡(jiǎn)潔有效的全解析或半解析理論來(lái)定性地描述納米天線的共振特性顯得十分必要。
　　針對(duì)這一問題，本文發(fā)展了一套可適用于不同形狀和耦合方式的光學(xué)納米天線的電磁散射理論，并基于其研究了單個(gè)柱形金屬納米棒、二維金屬-介電-金屬（Metal-Dielectric-

3、Metal，MDM）波導(dǎo)、耦合對(duì)稱和耦合非對(duì)稱圓形端面的金屬納米棒以及耦合納米盤等納米天線的共振特性。結(jié)合索末菲表面波理論和不同結(jié)構(gòu)納米天線內(nèi)部電磁場(chǎng)和外部電磁場(chǎng)的分布特點(diǎn)，利用傳輸線理論和等效電路方法明確定義了納米天線臂末端面的復(fù)反射系數(shù)。通過(guò)該復(fù)反射系數(shù)計(jì)算出納米天線末端面的反射相位，最后利用Fabry-Pérot腔共振相位匹配條件預(yù)測(cè)出來(lái)納米天線的共振波長(zhǎng)?；诖?，我們嚴(yán)格地分析和計(jì)算了不同納米天線結(jié)構(gòu)在不同參數(shù)（如納米天線材料、

4、長(zhǎng)度和半徑，不同的背景介質(zhì)的介電常數(shù)等）條件下的共振波長(zhǎng)，理論結(jié)果與三維全波電磁數(shù)值計(jì)算（基于COMSOL Multiphysics）吻合的很好。
　　通過(guò)調(diào)節(jié)納米天線結(jié)構(gòu)參數(shù)可以得到特定波長(zhǎng)下的共振以及不同階數(shù)下同一波長(zhǎng)下的共振，我們實(shí)現(xiàn)了“相稱共振”，并驗(yàn)證了其中偶極輻射效率調(diào)控方面的增強(qiáng)效應(yīng)。最后，通過(guò)進(jìn)一步調(diào)整納米天線的長(zhǎng)徑比實(shí)現(xiàn)耦合納米盤天線，我們發(fā)現(xiàn)一種非常特殊的“環(huán)形磁場(chǎng)模式”。計(jì)算結(jié)果表明這種共振模式的模場(chǎng)分布于偶