论文部分内容阅读
利用纳米金属颗粒对入射光的电磁响应形成的局域场增强,可以调控荧光分子或量子点源的荧光辐射,这是纳米光子学研究的热点之一。金属纳米颗粒对激励场进行高效地耦合与高度地局域化,使颗粒表面自由电子集体振荡形成局域表面等离子体(LSP)。本文设计了菱柱形和椭圆盘结构的纳米光学天线,在入射光照射下产生的LSP共振来实现纳米颗粒表面的电场增强。同时该光学天线能改变结构附近的荧光分子或量子点的电磁局域态密度,从而增强其辐射特性。纳米光学天线在表面等离子体共振(SPR)成像、表面等离子体波导、生物传感器、光谱增强等方面有着重要的应用前景。本论文首先概要地介绍了纳米光学天线的发展进程,然后系统地介绍表面等离子体、局域表面等离子体理论以及二能级原子系统的荧光辐射机理和其他有关天线辐射理论。然后在此基础上设计出具有非常强的场增强纳米光学天线,最后分析其不同偶极子共振模式下金属颗粒表面的电荷分布。本文的主要工作如下:1.基于金属纳米颗粒的LSP,表面电荷容易聚集在颗粒尖端形成热点效应,从而产生较强的近场增强。首次设计了具有菱柱形状金属纳米颗粒的光学天线,经FDTD solutions仿真软件进行模拟仿真分析,得出最大的近场增强至250倍。然后调整菱形长轴的夹角,分析出了每种结构下的电场分布。为了获得电偶极子最强的Purcell因子,将其放置在靠近菱形尖端处,分析其辐射方向图和局域态密度。为了解释我们设计的菱形纳米结构获得较强场增强,将该纳米光学天线近似为经典微带天线,用传输线模式理论计算出该结构的辐射损失电阻,从这一角度来解释该天线相比纳米立方体颗粒组成的天线具有较强的近场增强。2.分析了菱形纳米颗粒偶极子共振模式下其表面的电荷分布,随着入射光的偏振角度不同,可以使纳米颗粒激发出不同取向的偶极子共振模式。利用FDTD solutions进行仿真分析出不同模式下颗粒表面的电荷分布情况。这也进一步表明电荷倾向于聚集在颗粒边角处。3.设计了椭圆纳米盘与银薄膜耦合的纳米光学天线,通过改变椭圆的长短轴之比,计算出了每种尺寸的纳米结构的散射截面,并仿真分析了在共振波长下激发的偶极矩和四极矩共振模式的近场电场分布。