金属纳米天线实现点源辐射增强机制的研究

摘要

在无线电波和微波领域，人们通常使用天线来实现对电磁波信号的传播和控制。在纳米光学领域，人们采用纳米天线结构，来实现纳米尺度下光辐射的增强和对光辐射的控制。金属纳米天线结构在辐射源（荧光分子，量子点等）的照射下，会激励出表面波，例如表面等离激元（Surface Plasmon Polariton,SPP），研究者通过控制纳米天线的不同参数，使表面波共振，来达到辐射增强的目的。虽然这些文献中提到了表面波共振产生辐射增强，但是并没有定量化的给出不同表面波对辐射增强的贡献。也有研究者建立了解析模型，来研究辐射增强的物理机制，但是一部分解析模型采用了较多的近似，使得应用的范围非常有限，还有一部分解析模型只给出了部分参数的解析结果，无法完备的复现辐射过程的全部物理量，例如只计算了SPP在天线端面的反射系数等。
　　基于上述研究现状，论文研究了SPP等表面波对金属纳米天线结构辐射增强的影响，选取金属纳米线结构作为研究对象，将其靠近一个点电流源（代表拉曼光或荧光分子、量子点等辐射源），研究其辐射增强的机制。采用全矢量方法严格计算发现，辐射速率的增强是来自于纳米天线上表面等离激元和其它表面波的共振。
　　本文综合考虑金属纳米天线上表面等离激元的激发和散射，建立了一个直观的表面等离激元模型，利用模型来描述金属纳米天线影响点源辐射的物理过程，并分析辐射增强的物理机制。模型结果显示，对于长度较长的支持高阶共振模式的纳米天线，在计算总的辐射速率，辐射场辐射速率和辐射方向图时，模型结果与全矢量方法的计算结果非常吻合，表明对于这种情况，纳米天线上的表面等离激元在点源辐射中起到主导作用。而对于较短的金属纳米天线，我们发现模型计算结果与全矢量方法的计算结果有着明显的差别，表示这时除表面等离激元外，其它表面波同样对点源辐射有着重要影响。通过分析满足共振条件时的不同长度纳米天线表面的电磁场，我们发现在天线长度较长时，纳米天线表面只有表面等离激元场，而在天线长度较短时，纳米天线表面除了表面等离激元，还有剩余场(residual wave)的存在。我们提供了一个直观的理论模型，可以用于分析金属纳米天线实现点源辐射增强的物理机制，为相关器件设计提供理论指导，如拉曼光谱、荧光光谱增强器件，单光子源等。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 点源辐射的研究概况

第二节 金属纳米天线结构对辐射的影响

1．2．1 金属纳米天线概述

1．2．2 金属纳米天线结构对辐射强度的影响

1．2．3 金属纳米天线结构对辐射方向的影响

1．2．4 金属纳米天线与表面等离激元

1．2．5 金属纳米天线辐射增强的理论模型

第三节 严格耦合波分析方法

第四节 本论文的研究目的及内容安排

第二章 金属纳米天线实现点源辐射增强的表面波模型

第一节 概述

第二节 单金属纳米天线的表面等离激元模型

第三节 金属纳米天线上表面波对点源辐射的影响

2．3．1 表面等离激元对辐射速率的影响

2．3．2 点源到纳米天线的距离对辐射速率的影响

2．3．3 不同天线共振长度的辐射方向图

2．3．4 金属纳米天线上剩余场分析

第四节 结论

第三章 总结和展望

第一节 论文主要内容总结及主要创新点

第二节 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果