光學天線調控的光輻射研究.pdf

1、基于光學天線調控的光輻射及其應用是微納光學研究的熱點之一。光學天線可以對光場進行高效地耦合與高度地局域化，是一種實現自由空間傳播光場和局域光場之間高效轉換的納米結構，是連接兩者之間的橋梁。由于光學天線具有很高的局域場增強和很好的方向性等特點，利用光學天線可以實現局域量子點發(fā)光的高效定向輻射。因此光學天線在電磁能量耦合、轉化以及相干控制的過程中可以起到至關重要的調控與放大作用，在超靈敏單分子探測、局域激射（單光子源）、納光電子集成芯片、量

2、子調控等方面都具有很重要的應用。本論文圍繞光學天線調控增強發(fā)光的基本物理過程，研究了光學天線調控的自發(fā)輻射增強效應、輻射效率、方向性，以及光學天線結構中的磁模式、非局域效應對其輻射調控的影響。
　　本論文的主要研究工作如下:
　　1.基于多球并矢格林函數的解析算法，分析了偶極子光源與金屬-介質復合光學天線的相互作用過程。引入輻射增強因子來綜合考察光學天線調控的自發(fā)輻射增強與輻射效率。進而設計了由銀納米球與介質納米球組成的金屬

3、-介質復合光學天線，實現了寬譜的高Purcell因子與高效輻射。
　　2.研究了貼片光學天線結構中的模式特性及其光輻射調控。構造了銀納米球與雙曲超材料多層膜耦合的貼片光學天線。通過調節(jié)銀納米球的大小以及多層膜中銀膜與硅膜的厚度比例，增強了雙曲超材料中體模式的激發(fā)。引入磁模式來增加光學天線對光輻射的調控途徑，設計了支持多種間隔層模式（gap mode）的銀納米長方體貼片光學天線，利用非對稱電偶極子激發(fā)該光學天線的電模式與磁模式共振耦

4、合，實現了貼片光學天線調控的單向輻射。
　　3.基于局域近似模型，以銀納米長方體組成的二聚體光學天線為例，研究了間隔層中的非局域效應。分析了在電偶極子與磁偶極子的不同激發(fā)方式下，不同間隔層參數（厚度、折射率）下非局域效應對光學天線調控的輻射特性的影響。討論了非局域效應引入后，光學天線對自發(fā)輻射增強調控的強度與共振譜的變化。
　　本論文的創(chuàng)新點和特色:
　　1.通過引入金屬-介質復合光學天線結構，以解決金屬結構光學天線損

5、耗高，介質結構光學天線自發(fā)輻射增強低的矛盾問題，設計優(yōu)化金屬-介質復合光學天線的結構參數，實現了寬譜的高效率高增強輻射。
　　2.引入磁模式，設計了銀納米長方體貼片光學天線。采用非對稱的激發(fā)方式，通過調節(jié)銀納米長方體的尺寸結構，使得電模式與磁模式共振耦合，實現了面內的單向輻射。
　　3.在具有極小間隔層的光學天線結構中，引入非局域效應的影響。研究了電偶極子和磁偶極子激發(fā)下，間隔層中的非局域效應。對比分析了不同間隔層參數（厚度