金纳米多聚体表面等离激元光学捕获

摘要

金属纳米结构的表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons，SPPs）是电子的集体激发，类似于波的振荡行为。利用其在金属表面产生局域电磁场增强和突破衍射极限的性质可将其应用到光学捕获上，可称为表面等离子体光学捕获。基于局域表面等离激元的光学捕获大大促进了光学捕获的发展，使光学捕获从微米尺度跨越到了纳米尺度。金属纳米结构的局域表面等离激元电磁场增强在极大程度上依赖于金属的纳米结构和入射光波，进一步影响其在光学捕获上的应用。
　　本文主要研究了不同的金属纳米结构产生的不同的表面等离激元局域电磁场增强，以及不同的金属纳米结构对光学捕获的影响，金属纳米结构主要包括金四边形四聚体、金五边形四聚体、金六边形四聚体以及金三角形四聚体和金三角风车结构。同时还进一步研究了不同的入射光波长和不同的偏振光对表面等离基元局域电磁场增强的和光学捕获的影响。本文中采用的主要研究方式为有限时域差分的方法（finite-difference time-domain(FDTD) method），通过数值模拟准确计算金属表面及四周空间的电磁场分布、透射谱、反射谱、吸收谱等，通过进一步数据分析即可得到与光学捕获相关的光力光势等结果。通过数值模拟得到的金属表面电磁场分布和相应的光力显示金属纳米多聚体的边数对微小介质球的捕获效率有着明显的影响，其中四边形四聚体的局域表面等离基元共振增强最为明显，对微小介质球的捕获能力相对于五边形四聚体和六边形四聚体更强。介质球的直径大小也影响着其在不同的金属纳米结构中被捕获的情况。最终实现一定波长在一定位置对一定的小球进行选择性的捕获，可进一步应用于对溶液中的微小纳米球的操控。还可以通过改变入射光的偏振方向来改变三角形纳米四聚体的捕获位置。也可以利用非左右对称性较大的三角形风车结构对左右旋圆偏振光的响应来操控粒子。相对于传统的光学捕获，表面等离基元光学捕获突破了衍射极限，利用不同的金属纳米结构实现对微小粒子的选择性操控，在物理化学和生物医药中有着重大的意义。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 表面等离激元

1.3 光镊

1.4 表面等离激元的电磁计算方法

1.5 FDTD Solution 简介

1.6 表面等离激元及光学捕获的发展现状

1.7 本文研究的主要内容及创新之处

2 金属纳米多聚体的表面等离激元特性

2.1 计算方法简介

2.2 模型简介

2.3 计算结果及讨论

2.4 本章小结

3 金三角纳米四聚体的线偏光捕获特性

3.1 模型简介

3.2 结果讨论

3.3 本章小结

4 金三角纳米多聚体风车结构的旋光捕获特性

4.1 模型简介

4.2 金三角纳米多聚体的旋光特性

4.3 角度以及间距对旋光的影响

4.4 本章小结

5 总结与展望

致谢

参考文献

附录

A. 攻读学位期间发表论文与获奖情况