基于近场耦合的电磁散射调控和应用

摘要

电磁近场耦合作为一个调控远场电磁散射独立的自由度，不仅丰富了电磁散射调控的手段，而且也是实现一些新奇物理现象的重要基础。本文在理论上采用耦合偶极子近似方法和在数值上利用时域有限差分方法研究两个电磁散射体间的近场耦合效应对其电磁散射特性的影响以及它的应用。具体内容如下：　　(1)基于近场耦合作用实现介质二聚体系统中环形偶极子响应。电磁散射是自然界普遍存在的现象。近年来，随着超材料的出现，人们利用超材料研究了经常被忽略的环形偶极子响应。受限于金属材料固有的损耗效应和较弱的磁响应，这些结构往往较为复杂。相反地，我们利用简单的全介质二聚体结构间的近场耦合效应实现在远场占据主导地位的环形偶极子电磁散射响应。通过理论方法分析，我们发现当两个散射体中磁偶极矩的幅度达到最大值，且两者磁偶极矩的相位差接近于180度时，其合成的环形偶极矩也达到最大值；通过数值仿真计算，我们发现散射体之间的近场耦合作用确实使得系统产生了占据主导地位的环形偶极子响应，分析其在共振波长处的电、磁场分布，讨论改变粒子尺寸(即耦合作用强度)对环形偶极矩的影响。同时，我们讨论了多体散射系统环形偶极矩幅度随着散射体数目增加时的变化，以及提出了在光频段实现集成环形偶极子散射体的方案。　　(2)基于近场耦合作用实现微小颗粒上的光学牵引力。根据动量守恒定律，我们知道光学牵引力是光学操纵违反直觉的现象，单个平面电磁波无法实现光学牵引力。我们利用近场耦合效应，在单一平面波照射的情况下实现施加于二聚体系统中低折射率粒子的可调节光学牵引力。通过理论方法分析，我们发现实现光学牵引力的重要因素是近场耦合后电偶极子分量的相位发生改变，产生光学牵引力的条件是电偶极矩的虚部为负值。通过数值仿真计算，我们系统地研究近场耦合强度的改变对施加于低折射率粒子光学牵引力的影响。我们发现牵引力随着粒子之间的距离减小而逐渐增加，改变入射光场的偏振角度可以实现可调谐光学牵引力，改变粒子的尺寸，光学牵引力也会随之变化；此外，我们还证明了高斯光束能够实现没有横向力分量的纯光学牵引力。这种可调谐光学牵引力有望为纳米粒子的分类、运输和捕获提供了额外的自由度。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要内容及结构安排

2 电磁场散射的计算方法

2.1 Mie氏理论

2.1.1 引言

2.1.2 理论计算

2.2 耦合偶极子近似方法

2.2.1 引言

2.2.2 理论模型

2.2.3 模型解析

2.3 时域有限差分方法

2.3.1 引言

2.3.2 FDTD方法的基础：麦克斯韦方程组

2.3.3 Yee氏单元网格

2.3.4 数值稳定性和色散性

2.3.5 边界条件

2.4 本章小结

3 基于近场耦合调控环形偶极子光散射

3.1 引言

3.2 理论分析

3.3 数值仿真计算

3.4 理论方法分析N个粒子的情况

3.5 本章小结

4 基于近场耦合实现纳米粒子光学牵引力

4.1 引言

4.2 理论分析

4.3 数值仿真计算

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

研究生期间发表的论文

致谢