各向異性特異納米顆粒體系電磁性質(zhì)研究.pdf

1、本文主要研究徑向各向異性特異納米顆粒體系的電磁波散射特性。基于各向同性小球電磁波散射理論（Lorenz-Mie散射理論），將之推廣到徑向各向異性帶殼球和帶殼柱體系，率先建立了該體系完整的全波電磁散射理論。具體研究?jī)?nèi)容分以下幾方面：
　　1.徑向各向異性納米球顆粒的非瑞利散射特性
　　運(yùn)用推廣的 Lorenz-Mie散射理論研究具有徑向各項(xiàng)異性球形納米顆粒的電磁波散射特性。重點(diǎn)研討在準(zhǔn)靜態(tài)近似下，納米顆粒散射效率 scaQ對(duì)尺

2、0寸參數(shù)q（ q k a=）的依賴關(guān)系，研究表明各向異性納米球顆粒的散射效率對(duì)尺寸的0依賴可以不同于傳統(tǒng)的小顆粒近似下的散射規(guī)律:瑞利定則（即Q qμ）。具體表現(xiàn)4 sca如下：（1）各向異性納米球介電常數(shù)滿足2/1t re e=-（或磁導(dǎo)率滿足mtm=2/1 r-）時(shí)，小球的散射效率是一個(gè)可調(diào)節(jié)其大小的常數(shù)。（2）當(dāng)2/1t re e=-并且m e=-t21 t時(shí)，其散射效率可以與1/q成正比，產(chǎn)生顆粒越小，散射越大的“非?！爆F(xiàn)象。（

3、3）2更有趣的是，相比各向同性小球所不能實(shí)現(xiàn)的結(jié)果，當(dāng)e et=+(1)/2 re和rm mt=+(1)/2 rmr）時(shí)散射效率會(huì)有一個(gè)特異的漸進(jìn)行為。換句話說(shuō)，當(dāng)8 sca q時(shí)，小顆粒的散射與各向同性顆粒比較起來(lái)，變得更加迅速的趨向零。同時(shí)，各向異性介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的適當(dāng)調(diào)節(jié)，可使系數(shù)F盡可能的減小。因而，這種各向異性顆粒更容易“消失”或者說(shuō)“隱形”。
　　2.徑向各向異性納米球顆粒電磁波散射強(qiáng)度方向性與偏振性的調(diào)控
　

4、　基于徑向各向異性球顆粒的全波電磁散射理論，進(jìn)一步研究其電磁波散射強(qiáng)度的方向性控制以及散射波偏振性。從拓展的Mie散射系數(shù)出發(fā)，獲得準(zhǔn)靜態(tài)近似下納米球顆粒前向（散射角q為0度）和背向散射（散射角q為180度）強(qiáng)度為零的解析修正表達(dá)式。該修正條件既能滿足前向與背向散射強(qiáng)度為零，又能滿足光學(xué)原理C C C=+。其次，通過(guò)調(diào)節(jié)球顆粒的徑向各向異性電磁參數(shù)，進(jìn)一步將散射強(qiáng)度為零推廣到任意散射角度。最后，我們還導(dǎo)出準(zhǔn)靜態(tài)近似下各向異性球散射光為完

5、全偏振光的解析表達(dá)式，或稱之為推廣的“布儒斯特角”。數(shù)值計(jì)算表明適當(dāng)調(diào)節(jié)顆粒的電磁各向異性比率可以獲得高質(zhì)量的完全偏振光（TE模式或TM模式），使得散射光在更大角度范圍內(nèi)偏振化程度得到提高（更接近于1或-1）。ext sca abs
　　3.徑向各向異性對(duì)金屬核-殼納米球顆粒體系表面等離子激元共振等光學(xué)性質(zhì)的影響
　　我們將Lorenz-Mie散射理論拓展到具有徑向各向異性核-殼結(jié)構(gòu)球顆粒體系，闡述了徑向各向異性球顆粒電磁波

6、散射消光光譜中偶極和四極共振的特性。對(duì)于電介質(zhì)核-金屬殼的體系，在小尺寸情形下引入核層的各向異性會(huì)導(dǎo)致偶極共振波長(zhǎng)的藍(lán)移。而在大尺寸情形下（內(nèi)核半徑大于９０納米）引入各向異性并不能改變偶極共振波長(zhǎng)。此外，還研究了消光光譜中偶極共振和四極共振峰值隨各向異性參數(shù)的變化特征。數(shù)值仿真模擬結(jié)果表明共振時(shí)顆粒附近的場(chǎng)有顯著增強(qiáng)，局域電場(chǎng)的增強(qiáng)可以通過(guò)適當(dāng)改變球內(nèi)核的各向異性來(lái)實(shí)現(xiàn)其可調(diào)節(jié)性；不僅可以改變電場(chǎng)增強(qiáng)的區(qū)域，而且還可以改變其最大增強(qiáng)值。

7、對(duì)于金屬核-電介質(zhì)殼結(jié)構(gòu)，在殼層中引入徑向各向異性，會(huì)導(dǎo)致小尺寸情形偶極共振的藍(lán)移，但隨著尺寸變大共振波長(zhǎng)出現(xiàn)紅移現(xiàn)象。因此，引入徑向各項(xiàng)異性的光學(xué)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)的表面等離子激元共振以及可改變的局域場(chǎng)增強(qiáng)。
　　4.各向異性帶殼納米柱的隱身特性
　　我們率先建立具有柱各向異性無(wú)限長(zhǎng)帶殼圓柱體的全波電磁散射理論。獲得空間各區(qū)域電磁場(chǎng)的精確表達(dá)式，并且該結(jié)果對(duì)物體的尺寸以及構(gòu)成材料沒(méi)有任何限制。研究表明通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)殼層電各向異

8、性參數(shù)，帶殼柱的散射效率可以得到顯著減小，相反的是調(diào)節(jié)內(nèi)層各向異性參數(shù)并不能得到減小散射效率的結(jié)果。此外，同時(shí)調(diào)節(jié)柱的電各向異性以及磁各向異性參數(shù)，可以使得柱形目標(biāo)物的散射極大減小，甚至是“不可見(jiàn)”，磁場(chǎng)的Comsol Multiphysics數(shù)值仿真模擬驗(yàn)證了這一結(jié)果。在長(zhǎng)波極限下，運(yùn)用有效媒質(zhì)理論推導(dǎo)出各向異性帶殼柱的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，并獲得準(zhǔn)靜態(tài)下柱體不可見(jiàn)（也即是散射為零）時(shí)核殼半徑比與各向異性光學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系。小尺寸情形