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表面等离激元波导中的并矢格林函数及其应用研究

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表面等离激元波导中的并矢格林函数及其应用研究

作者：刘杰吉首大学

学位级别：硕士

波导能够约束电磁场,对于传统的介质波导,虽然能够实现低损耗导光,但存在衍射极限,难以实现光学器件的微型化以及集成化。表面等离激元能将电磁场束缚在金属表面附近,克服光子的衍射极限,其模面积非常小,可制作亚波长尺寸器件,在纳米光... 详细信息

波导能够约束电磁场,对于传统的介质波导,虽然能够实现低损耗导光,但存在衍射极限,难以实现光学器件的微型化以及集成化。表面等离激元能将电磁场束缚在金属表面附近,克服光子的衍射极限,其模面积非常小,可制作亚波长尺寸器件,在纳米光子领域具有广泛的应用。因此,全文围绕表面等离激元圆柱波导及混合波导展开,其研究步骤和主要成果如下:第一章,主要介绍圆柱波导中光子并矢格林函数值和解析求解方法,重点介绍3D有限元重整化格林函数及有结构和无结构方法,基于傅里叶谱的2.5D数值方法,由波导模式构造的2D近似求解方法,以及阐述自发辐射及共振能量理论推导。第二章,研究了圆柱波导中光子并矢格林函数的求解方法以及自发辐射增强和共振能量转移增强特性。结果表明:当圆柱波导中源点和场点处于同一位置时,格林函数是发散的,基于3D有限元,利用有结构和无结构中点源辐射场的差以及小体积内平均场的重整化方法,均可获得准确的光子并矢格林函数,且重整化方法能够减少一半计算量;基于2.5D傅里叶谱方法能准确获得散射光子格林函数的虚部;对于2D波导模展开方法,当源点和场点不同时,能获得准确的光子并矢格林函数,但仅能获得准确的光子格林函数虚部。且原子的位置和极化方向对自发辐射增强和共振能量转移增强具有重要的作用,共振能量转移增强取决于自发辐射率和传播距离;原子离波导近时,自发辐射增强大,当原子极化方向不同时,自发辐射增强具有明显的位置依赖特性和辐射方向性。第三章,研究了双层圆柱波导中并矢格林函数以及自发辐射增强和共振能量转移增强特性。结果表明:基于重整化以及有结构与无结构点源辐射场的差,同样均可准确得到双层圆柱波导的光子并矢格林函数;对于自发辐射及共振能量转移增强特性同样得到类似于第二章的结论,当原子离波导距离越近,自发辐射增强越大,且具有位置依赖特性和辐射方向性,值得注意的是,银外裹二氧化硅圆柱波导相对于硅外裹二氧化硅圆柱波导的自发辐射增强及共振能量转移增强特性更为显著。第四章,基于有限元方法,研究混合波导中两个二能级原子间的共振能量转移增强特性。利用2D有限元方法,求解波导模式,获得波导中近似光子并矢格林函数,将其与严格3D有限元解比较,结果表明,单模情况下,由波导模式构建的光子并矢格林函数与严格解符合较好,而其计算量远小于3D有限元方法。利用该2D快速求解方法,在1550纳米波长下,系统研究了该波导单模传输所需要的尺寸,以及不同波导尺寸对共振能量转移增强特性的影响。结果表明介质波导的宽度越窄,单模所允许的高度越高;当波导的宽度增大时,对于较高的介质波导,其传播距离增大,共振能量转移增强因子减小,对于较小的介质波导高度,情况不同,其传播距离先增大后减小,共振能量转移增强因子急剧减小;随高度的增加,传播距离先急剧减小后缓慢增大,而共振能量转移增强因子先急剧增强后缓慢变化;低折射率空隙的高度越低,传播距离越小,共振能量转移增强因子越大。第五章,归纳全文及展望。

关键词：自发辐射共振能量光子并矢格林函数波导单模表面等离激元

表面等离激元纳米柱结构中原子的自发辐射特性研究

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表面等离激元纳米柱结构中原子的自发辐射特性研究

作者：苏玉凤吉首大学

学位级别：硕士

金属纳米柱具有优异的光学性能,能将光场局域到亚波长甚至纳米尺度,其表面等离激元共振可通过纵横比灵活地调节,在诸多领域具有广泛的应用。近年来,利用表面等离激元效应调控原子的自发辐射已成为纳米光子学的研究前沿。本文运用有限元... 详细信息

金属纳米柱具有优异的光学性能,能将光场局域到亚波长甚至纳米尺度,其表面等离激元共振可通过纵横比灵活地调节,在诸多领域具有广泛的应用。近年来,利用表面等离激元效应调控原子的自发辐射已成为纳米光子学的研究前沿。本文运用有限元方法,基于局域和非局域光响应模型,系统研究不同尺寸和材料的纳米柱以及纳米柱二聚体中原子的自发辐射增强特性。具体内容如下:第一章,首先简要介绍表面等离激元和金属光响应模型。随后,介绍自发辐射理论及求解方法,重点阐述自发辐射的全波求解方法和准正则模求解方法。第二章,系统研究不同尺寸纳米柱的表面等离激元共振特性及其对原子自发辐射的调控。基于法珀共振原理,采用波导模式分析,发现忽略位移电流的衰减长度时,共振波长与纳米柱纵横比存在相似的线性关系。对于较短的纳米柱结构,其位移电流不可忽略,但共振波长与纵横比仍呈现出较好的线性关系。当纳米柱长度固定时,自发辐射增强效应随着半径的减小而增强;当半径固定时,自发辐射增强效应随着长度的增大而增强。第三章,运用有限元方法,结合经典的局域响应近似(LRA)、非局域流体动力学模型(HDM)和广义的非局域光响应模型(GNOR),系统研究金属纳米柱结构的端面修饰对附近量子点自发辐射特性的影响。结果表明,端面形貌、尺寸和材料对原子的自发辐射特性会产生较大的影响。当端面形貌由尖端逐渐变为圆柱时,自发辐射增强谱发生明显红移,峰值逐渐增大。相同尺寸的银纳米结构中原子的自发辐射增强特性优于金。对于核壳结构,壳层金属对内部金属表面等离激元共振具有屏蔽作用,随着壳层厚度的增大,表面等离激元共振逐渐接近壳层金属表面等离激元共振。第四章,基于非局域HDM和GNOR以及局域LRA模型,系统研究了不同构型、材料、尺寸及间距等情况下纳米柱二聚体中原子的自发辐射特性。结果表明,原子的自发辐射增强与间隙距离、量子点到金属表面距离有关,随着间隙距离逐渐减小,二聚体相互作用增强,自发辐射增强谱红移,峰值逐渐增大。不同于相同尺寸的纳米柱二聚体,不同尺寸的双柱二聚体中,非局域效应显著,且耦合模场的空间分布差别大。第五章,对本文工作进行简要总结和展望。

关键词：表面等离激元光子并矢格林函数金属纳米柱结构端面修饰二聚体结构自发辐射

表面等离激元微纳结构中的卡西米尔—波德力及其调控特性数值研究

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表面等离激元微纳结构中的卡西米尔—波德力及其调控特性数值研究

作者：高广波吉首大学

学位级别：硕士

原子与物体(如材料表面)之间的卡西米尔—波德力是最重要的量子电动力学效应之一,在原子芯片、纳米机械操控中具有广泛的应用。然而,卡西米尔-波德吸引力的存在,制约了原子芯片的小型化和高度集成化,也增大了纳米机械与原子之间的摩擦... 详细信息

原子与物体(如材料表面)之间的卡西米尔—波德力是最重要的量子电动力学效应之一,在原子芯片、纳米机械操控中具有广泛的应用。然而,卡西米尔-波德吸引力的存在,制约了原子芯片的小型化和高度集成化,也增大了纳米机械与原子之间的摩擦力。如何调控卡西米尔—波德力的大小和方向具有重要的理论意义和应用价值。本文基于宏观量子电动力学,系统研究原子的跃迁频率、极化方向、原子-表面距离、材料的介电函数等参数对共振卡西米尔-波德力的大小和方向的影响。论文的主要研究内容如下:1.研究银纳米球附近二能级原子的共振卡西米尔-波德力的吸引-排斥特性。将原子所受的径向共振卡西米尔-波德力分解为不同局域表面等离激元模式的贡献之和,揭示了卡西米尔-波德力的吸引-排斥反转机制,研究不同的原子-表面距离、极化方向、纳米球半径对共振卡西米尔-波德力的大小和方向的影响,实现了力方向的反转。2.研究银纳米球附近原子所受横向卡西米尔-波德力特性。不同于通常的径向力,横向力是指力的方向垂直于纳米球心与原子的连线方向。结果表明,横向力来源于旋转偶极子的非对称辐射反冲力,通过调节原子的极化方向、离球表面距离、跃迁频率等,可实现横向卡西米尔-波德力方向的反转,这为纳米尺寸下非接触式操纵原子提供了一个可行的方案。3.基于以上工作可知,纳米球附近原子所受卡西米尔-波德力取决于表面等离激元共振模式和原子的跃迁频率等参数。我们系统研究不同半径和材料的纳米球附近Cs原子所受的卡西米尔-波德力特性,着重研究仅考虑D1线跃迁过程(即|62P1/2,F’=4,M’F=4>到 |62S1/2,F=4,MF=4>)以及 D2 线跃迁过程(即|62P3/2,F’=5,M’F=5>到|62S1/2,F=4,MF=4>)时Cs原子的受力情况,结果表明,近距离时,D1和D2线下的径向力均为吸引力,D2线下的横向力在某些半径的金属球和硅球附近能受到较大的排斥力;远距离时,随距离的增大,径向力和横向力的方向均正负交替变化,且径向力比横向力衰减缓慢得多。此外,Cs原子离球较远时,原子受力的振荡幅度随半径的增大而增大,且低激发态增大的更快。4.研究截面银纳米球表面凸起结构对附近二能级原子的共振卡西米尔-波德力的影响。结果表明,相比于截面银纳米球,凸起结构会产生新的表面等离激元共振模式,对原子所受共振卡西米尔-波德力产生极大的增强作用。当原子离凸起结构表面的距离较近时,新的共振模式对力的调控起主导作用;随着距离的增大,新的共振模式对力的贡献急剧减小,且比无凸起结构中的共振模式的贡献减小的更快。这些结果对利用纳米结构操控原子提供了重要的理论基础。

关键词： (横向)卡西米尔-波德力局域表面等离激元光子并矢格林函数激发态Cs原子纳米球凸起结构

表面等离激元纳米结构中自发辐射及能级移动的研究

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表面等离激元纳米结构中自发辐射及能级移动的研究

作者：田锰吉首大学

学位级别：硕士

表面等离激元是金属中自由电子和电磁场共谐震荡量子化后的准粒子,能将电磁场约束在金属表面附近,可突破传统衍射极限,具有极大的局域场增强效应,能有效的增强光与物质的相互作用。自发辐射和能级移动不仅是量子电动力学最基本的内容,... 详细信息

表面等离激元是金属中自由电子和电磁场共谐震荡量子化后的准粒子,能将电磁场约束在金属表面附近,可突破传统衍射极限,具有极大的局域场增强效应,能有效的增强光与物质的相互作用。自发辐射和能级移动不仅是量子电动力学最基本的内容,也是许多应用研究的基础。理论上,自发辐射率和能级移动可用格林函数表达,本文提出了一种基于有限元法的耗散结构中重整化格林函数和散射格林函数的准确计算方法;利用相减的Kramers-Kronig(K-K)关系,获得了一种表面等离激元纳米结构中原子能级移动的快速准确计算方法;系统研究了表面等离激元纳米结构中二能级系统自发辐射动力学的薛定谔方程方法和格林函数预解算子方法,结果表明,利用提出的能级移动计算方法,格林函数预解算法方法能快速准确获得系统的动力学;系统研究了不同尺寸的金属纳米柱中非局域表面等离激元对自发辐射的调控特性。本文主要研究内容如下:(1)第一章简要介绍了局域和非局域表面等离激元、光子并矢格林函数、自发辐射率、能级移动和自发辐射动力学等基本概念和基本方法。(2)在第二章中,提出了一种基于有限元法的耗散结构中重整化格林函数和散射格林函数的准确计算方法。根据量子电动力学,原子的自发辐射率和能级移动可用源点和场点在同一位置时的光子并矢格林函数来表达,然而,耗散介质中,格林函数的实部和虚部均是发散的,导致了不符合物理的自发辐射率和能级移动。一种处理方法是考虑原子(量子点、分子)的实际大小和实际介电函数,用原子实际感受到的场代替宏观场。采用虚腔或实腔模型,此时,可用腔中的重整化格林函数,即取腔中的格林函数的平均值表示。本文提出一种利用有限元法计算耗散介质中实腔模型和虚腔模型的重整化格林函数的方法。该方法首先计算点电偶极子的辐射场,将其在小腔内取平均得到重整化的场,进而得到重整化的格林函数。应用该方法到均匀空间中,数值解与解析解一致,证实了该方法的可应用性及准确性。任意微纳结构中,将重整化的格林函数减去均匀空间中解析的重整化格林函数可得重整化的散射格林函数,应用该方法到金属纳米球系统,数值解与解析解符合很好。(3)第三章中,提出了一种表面等离激元纳米结构中原子能级移动的快速准确计算方法,系统研究了表面等离激元纳米结构中二能级系统非马尔科夫自发辐射动力学的薛定谔方程方法和格林函数预解算子方法。利用K-K关系,首先将能级移动的主值积分表达式转换成普通积分的形式,然后将任意跃迁频率的能及移动与零频时的能级移动相减,得到了一种快速计算能级移动的方法,该方法不需计算虚频格林函数和主值积分。应用该方法到金属纳米球-原子系统中,采用Drude自由电子气模型,以虚频格林函数方法的结果作为参照,发现相减的K-K方法比直接的希尔伯特变换方法更快的收敛。应用该方法到金属空隙型纳米腔中的原子,采用实验测量的金属介电常数,能快速准确的获得能级移动。采用相同的系统,发现时域的薛定谔方程方法需要极宽的频率范围内的光子并矢格林函数信息才能准确获得系统的动力学特性,若利用提出的基于相减的K-K关系所得的能级移动,格林函数预解算法方法能快速准确获得系统的动力学特性。(4)第四章中,系统研究了不同尺寸的金属纳米柱中非局域表面等离激元对自发辐射的调控特性。将只考虑电子简并压的HDM非局域模型以及进一步考虑量子扩散效应的GNOR非局域模型与基于Drude自由电子气的局域响应模型进行对比,研究不同尺寸的金属纳米柱中原子自发辐射增强的特性。发现纳米柱的高度H越小,扩散作用使峰高降低得越厉害,峰值频率急剧蓝移,自发辐射增强效应急剧减弱,而当半径R减小时,扩散作用只是稍稍降低峰高,峰值频率急剧红移。固定纵横比的情况下,随着尺寸的减小,自发辐射增强效应越来越弱,扩散作用导致的峰高降低越来越明显,局域和非局域峰的位置均稍稍蓝移,峰位所对应的频率的差别越来越大。减小原子到金属表面的距离,研究高阶非局域表面等离激元对自发辐射的调控特性,发现越高阶的非局域表面等离激元,非局域导致的蓝移越厉害,扩散作用导致的峰展宽越明显。(5)第五章对全文做了简要的总结和展望。

关键词：自发辐射率能级移动非马尔科夫自发辐射动力学光子并矢格林函数局域和非局域表面等离激元

贵金属表面纳米尺度凸起对自发辐射增强特性的影响研究

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贵金属表面纳米尺度凸起对自发辐射增强特性的影响研究

作者：单馨雨吉首大学

学位级别：硕士

表面等离激元(Surface Plasmon)是金属中自由电子和电磁场相互作用形成的电磁模,能突破衍射极限,将电磁场束缚在金属表面附近的纳米尺度范围内,为在纳米尺度中操纵和控制电磁波提供了重要的手段,在诸多领域具有广泛的应用,包括自发辐射... 详细信息

表面等离激元(Surface Plasmon)是金属中自由电子和电磁场相互作用形成的电磁模,能突破衍射极限,将电磁场束缚在金属表面附近的纳米尺度范围内,为在纳米尺度中操纵和控制电磁波提供了重要的手段,在诸多领域具有广泛的应用,包括自发辐射、新型集成光电子器件、高灵敏生物检测和新型光源等。为增强局域场,各种共振和非共振金属纳米结构被广泛采用,其中,利用“避雷针效应”,在金属表面引入原子尺度凸起,已成为研究前沿。本文主要研究贵金属表面纳米尺度凸起结构对自发辐射增强特性的影响以及相关理论方法。具体内容如下:第一章,主要介绍表面等离激元纳米结构中原子自发辐射的理论及数值仿真方法。包括金属的局域光响应模型(LRA)、非局域流体动力学模型(HDM)、广义非局域光响应模型(GNOR)以及量子流体动力学模型(QHT),重点介绍光子并矢格林函数全波仿真方法和和准正则模式方法。第二章,基于LRA、HDM、GNOR、QHT四种光响应模型,研究截面金球中不同尺寸的圆锥和圆台形凸起对自发辐射增强特性的影响。结果表明:对自发辐射增强谱,相比于LRA,非局域HDM和GNOR峰位均蓝移,峰值急剧降低,而QHT峰位红移,峰值未发生显著变化;圆锥和圆台增高,自发辐射增强谱的峰值增大;相比于锥形凸起结构,圆台形凸起结构中的自发辐射增强峰值较大;随台面半径减小,QHT中的自发辐射增强谱峰值增大,而HDM和GNOR中的峰值减小。第三章,分别采用LRA、HDM、GNOR三种光响应模型,研究纳米球二聚体的尺寸、间隙大小、凸起结构尺寸等对间隙中心处原子的自发辐射增强特性的影响。结果表明:二聚体间隙厚度对自发辐射增强影响巨大,越小的间隙距离,增强效应越明显;当间隙距离较小时,凸起结构能有效的增大原子自发辐射率;相比于无凸起结构,双凸起结构中,LRA下增大20多倍,而在HDM和GNOR非局域响应下,约增大5倍;当间隙距离较大时(3 nm),凸起结构导致的增强效应不明显。第四章,微纳结构中原子的自发辐射率可用光子并矢格林函数表达,快速准确计算金属纳米结构中的光子并矢格林函数具有重要的意义。本章发展了一套金属纳米结构中准正则模数值仿真平台,可快速获得不同位置和跃迁频率下光子并矢格林函数。结果表明,局域和非局域光响应模型下,对于单球、双球二聚体以及含凸起的二聚体结构中,该方法给出的自发辐射增强谱与全波仿真结果一致,当量子点到金属表面的距离相等时,相比于单球,二聚体中低阶模式处的自发辐射增强大。第五章,纳米尺度贵金属不仅存在非局域、电子溢出、界面散射等量子尺度效应,其壳层电子还存在带间跃迁和屏蔽效应。本章发展了一套贵金属纳米结构中表面等离激元的量子流体动力学仿真方法。以实验数据和TD-DFT结果作为参照,系统研究界面无离子极化厚度对基态电荷密度以及共振频率的影响,研究金属-介质界面处的局域环境对表面等离激元共振的影响,获得准确仿真贵金属纳米颗粒表面等离激元共振频率所需的相关参数。第六章,对本论文做简要总结和展望。

关键词：局域和非局域表面等离激元自发辐射光子并矢格林函数量子流体动力学准正则模