纳米尺度金属光学天线的近场与远场特性研究

摘要

金属纳米光学天线是一种可以突破衍射极限，能够把光学频段的电磁波高效耦合到纳米尺度空间的金属纳米光子器件，因其支持表面等离激元而具有高度场局域、场增强及重定向等特性，这些新颖独特的光学性质使其在众多领域颇受青睐，如高分辨率近场光学显微镜、高效率太阳能电池、纳米光刻等。
　　本文设计了一种新型的金属纳米光学天线——双蝶形金属纳米光学天线，基于时域有限差分法和表面等离激元理论研究了其光学特性，其中包括近场局域场增强性、近场电场分布特性及远场方向性等。主要研究内容如下：
　　1、研究了矩形、梯形、蝶形三种基本对称振子结构金属纳米光学天线的近场特性。研究发现：蝶形对称振子具有最大的场增强因子，但这种场增强性对不同的入射光偏振方向表现出极不稳定性。
　　2、研究了天线臂之间的夹缝以及不同的入射光偏振方向对双蝶形金属纳米光学天线场增强性及电场分布的影响。研究发现：双蝶形光学天线具有比蝶形对称振子更强的场增强，选择合适的结构参数可以达到390倍的电场增强；随着夹缝的减小，场增强的分布区域逐渐由天线的中心转移到边缘，同时天线中心处的电场强度随之减小；与蝶形对称振子不同，双蝶形光学天线的场增强性对偏振方向不同的入射光表现出很强的稳定性。
　　3、研究了天线结构参数的变化对双蝶形金属纳米光学天线远场方向性的影响。研究发现：天线臂之间夹缝的减小使远场方向图中出现明显的旁瓣，且主瓣增益变大；当偶极子激励源垂直放在天线下方合适的距离时，远场方向图中会出现明显的旁瓣；天线臂长度的增大是导致远场方向图中出现旁瓣的主要因素；增加天线厚度同样能使远场方向图中出现旁瓣，且主瓣增益先变大后变小。
　　研究结果表明，论文所设计的双蝶形金属纳米光学天线具有很强的局域场增强性，对不同的入射光偏振方向也表现出很好的稳定性。调整天线的结构参数能够改变与其相耦合的偶极子激励源的辐射方向性，对远场方向性的调控更加灵活。论文通过仿真实验研究验证了设计方案的有效性，论文的研究工作为金属纳米光学天线的设计提供了可借鉴的经验。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2光学天线及国内外发展动态

1.3光学天线的应用

1.4表面等离激元基础理论

1.5论文研究内容

第二章 光学天线数值分析方法研究

2.1电磁场数值分析方法

2.2时域有限差分法及MaxWell差分方程

2.3数值稳定性收敛条件

2.4激励源的设置

2.5 PML吸收边界条件

2.6金属材料的Drude色散仿真模型

2.7光学天线的设计及仿真流程

2.8本章小结

第三章 几种基本结构金属纳米光学天线的近场特性研究

3.1矩形对称振子的近场特性研究

3.2几种基本对称振子结构的场增强特性比较

3.3入射光偏振方向对蝶形对称振子电场分布的影响

3.4本章小结

第四章 双蝶形金属纳米光学天线的近场特性研究

4.1双蝶形光学天线的电场分布

4.2夹缝大小对双蝶形光学天线场增强特性及电场分布的影响

4.3不同臂长对双蝶形光学天线场增强特性的影响

4.4衬底对双蝶形光学天线场增强特性的影响

4.5入射光偏振方向对双蝶形光学天线电场分布的影响

4.6本章小结

第五章 双蝶形金属纳米光学天线的远场特性研究

5.1偶极子源位置对双蝶形光学天线远场方向性的影响

5.2天线臂长度对双蝶形光学天线远场方向性的影响

5.3夹缝大小对双蝶形光学天线远场方向性的影响

5.4天线厚度对双蝶形光学天线远场方向性的影响

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢