金屬納米天線實(shí)現(xiàn)點(diǎn)源輻射增強(qiáng)機(jī)制的研究.pdf

1、在無線電波和微波領(lǐng)域，人們通常使用天線來實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波信號(hào)的傳播和控制。在納米光學(xué)領(lǐng)域，人們采用納米天線結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)納米尺度下光輻射的增強(qiáng)和對(duì)光輻射的控制。金屬納米天線結(jié)構(gòu)在輻射源（熒光分子，量子點(diǎn)等）的照射下，會(huì)激勵(lì)出表面波，例如表面等離激元（Surface Plasmon Polariton,SPP），研究者通過控制納米天線的不同參數(shù)，使表面波共振，來達(dá)到輻射增強(qiáng)的目的。雖然這些文獻(xiàn)中提到了表面波共振產(chǎn)生輻射增強(qiáng)，但是并沒有定量化的給

2、出不同表面波對(duì)輻射增強(qiáng)的貢獻(xiàn)。也有研究者建立了解析模型，來研究輻射增強(qiáng)的物理機(jī)制，但是一部分解析模型采用了較多的近似，使得應(yīng)用的范圍非常有限，還有一部分解析模型只給出了部分參數(shù)的解析結(jié)果，無法完備的復(fù)現(xiàn)輻射過程的全部物理量，例如只計(jì)算了SPP在天線端面的反射系數(shù)等。
　　基于上述研究現(xiàn)狀，論文研究了SPP等表面波對(duì)金屬納米天線結(jié)構(gòu)輻射增強(qiáng)的影響，選取金屬納米線結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，將其靠近一個(gè)點(diǎn)電流源（代表拉曼光或熒光分子、量子點(diǎn)等輻

3、射源），研究其輻射增強(qiáng)的機(jī)制。采用全矢量方法嚴(yán)格計(jì)算發(fā)現(xiàn)，輻射速率的增強(qiáng)是來自于納米天線上表面等離激元和其它表面波的共振。
　　本文綜合考慮金屬納米天線上表面等離激元的激發(fā)和散射，建立了一個(gè)直觀的表面等離激元模型，利用模型來描述金屬納米天線影響點(diǎn)源輻射的物理過程，并分析輻射增強(qiáng)的物理機(jī)制。模型結(jié)果顯示，對(duì)于長度較長的支持高階共振模式的納米天線，在計(jì)算總的輻射速率，輻射場輻射速率和輻射方向圖時(shí)，模型結(jié)果與全矢量方法的計(jì)算結(jié)果非常吻合

4、，表明對(duì)于這種情況，納米天線上的表面等離激元在點(diǎn)源輻射中起到主導(dǎo)作用。而對(duì)于較短的金屬納米天線，我們發(fā)現(xiàn)模型計(jì)算結(jié)果與全矢量方法的計(jì)算結(jié)果有著明顯的差別，表示這時(shí)除表面等離激元外，其它表面波同樣對(duì)點(diǎn)源輻射有著重要影響。通過分析滿足共振條件時(shí)的不同長度納米天線表面的電磁場，我們發(fā)現(xiàn)在天線長度較長時(shí)，納米天線表面只有表面等離激元場，而在天線長度較短時(shí)，納米天線表面除了表面等離激元，還有剩余場(residual wave)的存在。我們提供了一