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金属基底上光学偶极纳米天线的自发辐射宽带增强:表面等离激元直观模型

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物理学报 2022年第11期71卷 341-355页

作者：张炼王化雨王宁陶灿翟学琳马平准钟莹刘海涛南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所天津300350 南开大学天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室天津300350 郑州师范学院物理与电子工程学院郑州450044 天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072

本文提出一种具有宽波段自发辐射增强性能的金属基底上光学偶极纳米天线,实现的总辐射速率与远场辐射速率增强因子分别达到5454和1041,在近红外波段,自发辐射增强(Purcell因子超过1000)波长范围达到260 nm,并且能够实现远场定向辐射.为... 详细信息

本文提出一种具有宽波段自发辐射增强性能的金属基底上光学偶极纳米天线,实现的总辐射速率与远场辐射速率增强因子分别达到5454和1041,在近红外波段,自发辐射增强(Purcell因子超过1000)波长范围达到260 nm,并且能够实现远场定向辐射.为了阐明天线性能背后的物理机制,本文考虑天线臂上表面等离激元激发和多重散射的直观物理过程,基于Maxwell方程组第一性原理,建立了一个半解析模型,能够全面复现天线的辐射特性,包括总辐射速率、远场辐射速率、远场辐射方向图等.该模型提供了一个直观的物理图像,即在模型导出的两个相位匹配条件下,表面等离激元在天线臂上形成了一对Fabry-Perot共振获得增强,然后传播到纳米间隙内点辐射源位置和散射到自由空间,由此分别提高了总辐射速率和远场辐射速率.并且,这一对Fabry-Perot共振产生了一对相互靠近的谐振峰,由此形成了宽波段自发辐射增强.本文提出的偶极纳米天线可以应用于荧光增强、拉曼散射增强及高速、高亮度纳米光源等领域,所提出的模型可用于光学天线的物理理解和直观设计.

关键词：光学纳米天线 /自发辐射增强 /表面等离激元 /半解析模型

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金属镜面上方形银纳米光学天线的自发辐射增强

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郑州师范教育 2023年第2期12卷 6-9页

作者：王化雨樊培萱王春雨王安然王梦寒黄兴郑州师范学院物理与电子工程学院河南郑州450044

针对金属镜面上方形纳米天线结构中的点源自发辐射问题,基于麦克斯韦方程组第一性原理建立了一个半解析的表面等离激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)模型。该模型能够定量复现天线长度、点源位置对点源辐射速率的影响,天线发生谐振... 详细信息

针对金属镜面上方形纳米天线结构中的点源自发辐射问题,基于麦克斯韦方程组第一性原理建立了一个半解析的表面等离激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)模型。该模型能够定量复现天线长度、点源位置对点源辐射速率的影响,天线发生谐振时其长度所满足的相位匹配条件可由模型方程导出。本文的研究可指导设计性能优越的光学纳米天线,并应用于荧光增强、拉曼增强等领域。

关键词：表面等离激元自发辐射光学纳米天线荧光增强

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微纳光学结构与太赫兹辐射产生技术的研究进展

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光学学报 2021年第8期41卷 258-270页

作者：韩张华孙开礼蔡阳健山东师范大学光场调控及应用中心山东济南250358 山东省光学与光子器件技术重点实验室山东济南250358 山东省光场调控工程技术中心山东济南250358

太赫兹(THz)技术在基础研究与产业应用中具有重要研究意义,但其广泛应用仍受限于高效、紧凑的THz源,特别是0.5~2.0 THz波段。目前,人们已经采用了多种技术产生THz辐射,基于光学的方法是其中最重要的手段。首先,针对THz脉冲波及连续波,... 详细信息

太赫兹(THz)技术在基础研究与产业应用中具有重要研究意义,但其广泛应用仍受限于高效、紧凑的THz源,特别是0.5~2.0 THz波段。目前,人们已经采用了多种技术产生THz辐射,基于光学的方法是其中最重要的手段。首先,针对THz脉冲波及连续波,基于光电导效应及非线性光学差频的THz辐射产生机理,总结了近年来微纳光学结构在提高泵浦光至THz转换效率上的应用。然后,分析了金属纳米光天线通过增强泵浦光局域电场提高THz辐射效率和将金属纳米光天线作为THz辐射源两种增强情况。最后,展望了其他类型的光学微纳结构,尤其是全介质光学天线支持的米氏谐振、无辐射模式以及连续域中束缚态等新颖物理现象在THz辐射产生中的增强作用。

关键词：光学器件太赫兹辐射光学纳米天线局域场增强光电导天线光整流

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基于V形磁偶极天线的SPPs可调向激发与聚焦特性研究

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基于V形磁偶极天线的SPPs可调向激发与聚焦特性研究

作者：刘畅哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

磁偶极天线是光学纳米天线的一种,光学纳米天线一般是指金属纳米结构以不同形状或不同结构组合成的用以实现自由传播光场与局域场转化的装置。由于它具有常规天线不具备的特性,如光场增强、光场局域、光场重定向等,因而成为研究热点。... 详细信息

磁偶极天线是光学纳米天线的一种,光学纳米天线一般是指金属纳米结构以不同形状或不同结构组合成的用以实现自由传播光场与局域场转化的装置。由于它具有常规天线不具备的特性,如光场增强、光场局域、光场重定向等,因而成为研究热点。通过对光学纳米天线结构进行设计,可以得到高耦合效率、高分光比的天线结构,这些结构有希望应用于近场光学显微、单光子发射器、偏振检测、光镊、传感等方面。本文将对V形磁偶极天线的表面等离激元激发特性展开研究。应用有限元分析方法,研究了V形磁偶极天线在不同偏振下的表面等离激元激发特性,利用偶极子模型解释两侧的电场分布,得出V形磁偶极天线阵列完全单向激发的条件,并进行了仿真分析,得到了完全单向激发的入射光偏振态以及圆偏振单向激发条件,实现了SPPs可调向激发。基于V形磁偶极天线分别设计了圆形和阿基米德螺旋结构阵列,通过引入矢量光束和改变阿基米德螺旋系数,实现了高效率中心聚焦。通过分析V性磁偶极天线阵列的耦合光强与入射光斯托克斯参量的关系,对V形磁偶极天线单元进行结构设计,得到了可以表征斯托克斯参量的V形结构,该结构可以为微纳检偏提供新的思路。

关键词：光学纳米天线 SPPs可调向激发等离激元透镜微纳检偏

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用于光伏器件的光学天线的FDTD仿真

用于光伏器件的光学天线的FDTD仿真

作者：李石磊燕山大学

学位级别：硕士

太阳能光伏器件把光能转换为电能，有望在未来解决我们社会所面临的能源问题。薄膜太阳能电池因其成本低得到了世人关注。但目前薄膜太阳能电池对光的吸收小，所以必须改变它的结构以提高对光的吸收率。光学纳米天线具有局域场增强的效... 详细信息

太阳能光伏器件把光能转换为电能，有望在未来解决我们社会所面临的能源问题。薄膜太阳能电池因其成本低得到了世人关注。但目前薄膜太阳能电池对光的吸收小，所以必须改变它的结构以提高对光的吸收率。光学纳米天线具有局域场增强的效应，这种效应与表面等离激元是密切相关的。论文利用时域有限差分（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）法研究了金属光学纳米天线的表面等离激元对提高单晶硅太阳能电池的吸收的适用性。论文的主要研究内容如下：首先，论文介绍了传统天线理论、金属的光学性质与光学纳米天线。当电磁波的频率在不太高的光频范围内时，只考虑自由电子对金属的介电函数的影响，并且对自由电子采用的是Drude模型。当电磁波的频率大于电子的带间跃迁阈值的情况下，电子就会发生带间跃迁，此时可采用Lorentz模型来弥补这种不足。其次，为了进行数值模拟，论文中将Maxwell方程组的微分形式进行了差分离散，所使用的方法是FDTD方法。分析了差分离散的数值色散及稳定性，得出了数值色散对空间和时间间隔的要求。并介绍了有限FDTD区域截断边界处的吸收边界条件，及在FDTD区域中引进入射波的方法——全场/散射场方法。最后，在此基础上结合单晶硅的Lorentz-Drude模型，并借助Ag和单晶硅两种材料的复折射率参数，利用最小二乘法进行优化拟合，得到了Ag光学纳米天线的Drude模型及单晶硅的Lorentz-Drude模型的参数。随后，研究了圆柱形与半圆柱形金属光学纳米天线阵列在不同光波长对太阳能电池中单晶硅对电磁波的吸收率的影响。结果表明，在一定的光谱范围内光学纳米天线确实能够增加太阳能电池中的单晶硅对电磁波的吸收率;对于太阳能电池来说，这是一种新的获取光俘获的方法。并且吸收率的增强与粒子的形状、半径及入射波的波长有关。这对增强太阳能电池的性能有着一定的理论指导意义。

关键词：光学纳米天线表面等离激元光俘获 Lorentz-Drude模型时域有限差分方法 Drude模型 Lorentz模型

基于纳米天线多极子耦合的定向散射场动态调控特性研究

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基于纳米天线多极子耦合的定向散射场动态调控特性研究

作者：刘钧妍太原理工大学

学位级别：硕士

光学纳米天线由于可以激发出较为丰富的共振模式成为了微纳光子学领域的研究热点,是现代纳米光子器件重要的组成部分,在激光器、太阳能电池、光电探测、生物医学及近场光学等领域有广泛的应用。在对纳米天线的光学性能的研究中,纳米颗... 详细信息

光学纳米天线由于可以激发出较为丰富的共振模式成为了微纳光子学领域的研究热点,是现代纳米光子器件重要的组成部分,在激光器、太阳能电池、光电探测、生物医学及近场光学等领域有广泛的应用。在对纳米天线的光学性能的研究中,纳米颗粒对光的散射作用为其重要的分支,纳米天线所支持的复杂而有趣的光学共振模式对纳米结构的设计和散射场调控方法提供了更多的可能。研究电磁多极子之间的相互作用是分析光场的基本方法,其中基于电磁共振的激发实现对散射场方向性的有效调控尤为重要。因此,基于多极子耦合对光学纳米天线散射场特性的调控的研究在微纳光子学研究领域的占据非常重要的地位。本文基于多极展开理论,分析光学纳米天线的电磁共振响应及多极子之间的耦合作用,对其散射场特性的操控进行研究。论文首先设计了一种具有扇形孔洞的硅圆盘结构的纳米天线,该纳米结构在平面波的激发下便可产生沿入射场波矢方向的磁偶极共振,通过调整结构的各项尺寸参数,能够实现对磁偶极共振波长、共振强度及相位的调节。其次,论文采用相变材料设计纳米天线,由于改变温度情况下相变材料可具有不同结晶度,故可实现对材料折射率的动态调整,进而影响电磁共振之间的耦合作用,最终实现对入射光场沿前/后向单向性散射的有效调控。论文主要工作内容如下:(1)验证了适用于不同结构的纳米粒子在自由空间及存在电介质衬底情况下的多极展开方法。通过计算出任意形状的纳米粒子散射体内部的感应极化电流的多极子分解(至三阶),得到散射场的相应多极表达式,最终得到电磁多极子在散射光谱中的贡献。多极子之间的相互作用是影响散射场特性的本质原因,因此多极展开理论是分析散射场的一个重要工具。论文展示了部分计算结果,与相关参考文献报道结果基本吻合,验证了所编制多极展开理论程序的正确性。(2)设计了一种具有扇形孔洞的硅圆盘结构的纳米天线,使其在平面波正入射情况下,产生了沿入射场波矢方向的磁偶极矩。研究中重点分析了该纳米天线的电磁共振响应特性,总结了结构的各项尺寸参数对电/磁偶极共振的影响,通过对磁偶极与电偶极共振幅度和相位的调整,有望实现散射场侧向的定向散射。(3)利用相变材料设计了两种结构的纳米天线,一种为碲化锗材料构成的简单球形结构;另一种是由金材料及碲化锗材料构成的核壳结构。通过调整结构参数和材料结晶度,分析了电磁共振的幅度和相位关系及其之间的耦合作用,最终通过调整结晶度,实现了在同一波长下定向散射场散射方向的调整,因而通过改变相变材料温度能够实现对所设计纳米天线散射场方向性的动态调控。

关键词：散射场方向性电磁共振多极展开理论 Kerker效应光学纳米天线

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局域表面等离激元增强荧光研究进展

科学通报 2015年第33期60卷 3169-3179页

作者：吕国伟沈红明程宇清龚旗煌北京大学物理学院现代光学研究所人工微结构和介观物理国家重点实验室北京100871

金属表面增强荧光现象,即表面等离激元与荧光分子、原子、量子点等发光体系的相互作用,是许多应用研究的基础科学问题.近年来该领域在实验和理论方面都取得了很大的进展.研究表明,金属表面等离激元共振不仅能够增强分子的激发过程,也能... 详细信息

金属表面增强荧光现象,即表面等离激元与荧光分子、原子、量子点等发光体系的相互作用,是许多应用研究的基础科学问题.近年来该领域在实验和理论方面都取得了很大的进展.研究表明,金属表面等离激元共振不仅能够增强分子的激发过程,也能强烈地调制分子荧光的发射过程,如影响发光的量子效率、弛豫寿命和发射方向等.通过设计微纳金属结构,局域表面等离激元可以有效地改变分子所处的介电局域电磁场环境,进而影响和调控荧光分子的自发辐射过程.实验研究从初始的集体平均性观测,目前已经发展至单纳米结构和单分子水平,从而克服了传统测量中的平均效应,并做到实验测量和理论模拟的有机结合,对揭示单个纳米颗粒层次上的光物理基本规律具有重要意义.本文主要介绍近期与局域表面等离激元增强荧光相关的重要研究进展,具体为表面增强荧光的发光强度、光发射角分布、荧光光谱、荧光弛豫寿命及偏振等方面.

关键词：表面等离激元金属纳米结构光学纳米天线单分子荧光表面增强荧光寿命光发射方向

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基于ENZ超材料及光栅的光学设计

基于ENZ超材料及光栅的光学设计

作者：王宇中北大学

学位级别：硕士

基于超材料的光学纳米天线是微纳光子学的热门研究领域之一,在医学、量子信息、激光、通信光学成像等领域中具有很高的研究价值和发展潜力。光学纳米天线可用于高频段传输,可以实现精确的信号定位,具有更小的体积,并支持更多的高效通信... 详细信息

基于超材料的光学纳米天线是微纳光子学的热门研究领域之一,在医学、量子信息、激光、通信光学成像等领域中具有很高的研究价值和发展潜力。光学纳米天线可用于高频段传输,可以实现精确的信号定位,具有更小的体积,并支持更多的高效通信技术。而不同材料在应用上也可以为基于超材料的光学纳米天线提供更多的可能性,例如近零介电常数材料(Epsilon-near-zero,ENZ)。论文工作主要基于近零介电常数材料(氧化铟锡)的光学纳米天线及其多极子耦合作用导致的远场辐射特性为主线展开了以下的研究内容:(1)讨论了一种基于具有大的光学非线性的ENZ材料的可调谐超材料吸收器。研究了超材料可以通过改变入射强度而动态控制其吸收特性。由ENZ材料和电介质材料组成的混合结构可表现出非互易特性。通过改变入射光束的强度,混合结构的吸收可以从50%调到90%。研究为超材料吸收的超快动态控制提供了一种新的方法,可应用于微测辐射计、热成像、采集、减少散射、光电探测和隐身技术等。(2)主要设计了基于氧化铟锡(ITO)的混合光学天线,其中以光学方式调整远场辐射角度的偏转。ITO和硅(Si)的混合结构天线,它能够实现偏转角随着入射强度的增加而变化20.5°。最后研究了ITO或ITO-Si混合纳米盘的阵列结构,该结构可以增强单方向性。主叶的角束宽度α光学调制提供了新思路。(3)利用有限元分析(FEA)和严格耦合波分析(RCWA)方法,对传感器的机械和光学性能进行了模拟。结果表明,该光学加速度计在整个测量范围内具有2.21%/μm的光学灵敏度,424%/g的系统灵敏度和3.21%的交叉灵敏度。此外,该传感器的一阶谐振频率为35.995Hz,线性测量范围为±0.0177g。与其他低频传感器相比,该传感器具有高性能的特点,适用于惯性导航制导系统、空间海洋重力分布测量、人工智能等高科技领域。

关键词：近零介电常数材料氧化铟锡光学纳米天线辐射调控加速度计