寬頻納米結(jié)構(gòu)光天線特性的研究.pdf

1、天線是接收和發(fā)射電磁能量的工具，具有非常廣泛的應(yīng)用。光天線是一種能有效地將自由空間的電磁能量與局域場(chǎng)電磁能量相互轉(zhuǎn)化的有效工具。金屬納米光天線一般由納米量級(jí)的顆粒組成。在光頻，可以利用光學(xué)天線在納米尺度對(duì)光波進(jìn)行調(diào)控?；诒砻娴入x激元的納米光天線的典型特性是能將自由空間的波長(zhǎng)約束在亞波長(zhǎng)尺度。納米天線對(duì)特定波長(zhǎng)的輻射，具有強(qiáng)吸收和強(qiáng)散射的特性。這些特性使得納米天線在表面增強(qiáng)拉曼散射、熒光現(xiàn)象、化學(xué)生物傳感器、納米光刻、太陽(yáng)能電池、光學(xué)顯

2、微鏡等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。而納米天線的該特性與粒子的大小、形狀、材料、介質(zhì)環(huán)境等因素緊密相關(guān)。
　　本文以蝴蝶結(jié)型結(jié)構(gòu)以及齒形對(duì)數(shù)周期結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。研究納米光天線的光學(xué)特性，其中包括Purcell因子效應(yīng)、多諧振場(chǎng)增強(qiáng)特性。旨在優(yōu)化天線的光學(xué)特性、深入研究對(duì)數(shù)周期納米天線的多諧振場(chǎng)增強(qiáng)特性以及石墨烯對(duì)數(shù)周期納米天線的多諧振場(chǎng)增強(qiáng)的可調(diào)特性。
　　特別是對(duì)石墨烯化學(xué)勢(shì)與其擬合介電常數(shù)的關(guān)系以及基于石墨的對(duì)數(shù)周期納米天線的

3、近場(chǎng)增強(qiáng)、雷達(dá)散射截面的研究，掌握石墨烯化學(xué)勢(shì)對(duì)其多諧振近場(chǎng)增強(qiáng)的調(diào)控規(guī)律，可以為制備可調(diào)寬頻帶納米光天提供新思路。為寬頻帶光天線在太陽(yáng)能電池以及多次諧波發(fā)生器方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
　　本文的主要研究成果如下:
　　(1)基于Drude色散模型，利用時(shí)域有限差分方法建立了納米光天線的仿真和設(shè)計(jì)平臺(tái)。通過(guò)研究納米光天線的工作原理和結(jié)構(gòu)特性，探索了改進(jìn)其光學(xué)特性的途徑和相關(guān)理論依據(jù)。
　　(2)針對(duì)蝴蝶結(jié)型納米結(jié)構(gòu)，計(jì)

4、算了其Purcell因子、近場(chǎng)分布以及天線效率，分析了蝴蝶結(jié)納米光天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其光學(xué)特性的影響，通過(guò)改變天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究了蝴蝶結(jié)型納米天線的光學(xué)特性與其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。
　　(3)根據(jù)對(duì)數(shù)周期納米結(jié)構(gòu)具有寬頻特性的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的對(duì)數(shù)周期納米結(jié)構(gòu)場(chǎng)增強(qiáng)及Purcell因子的計(jì)算，研究了其多諧振場(chǎng)增強(qiáng)特性與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。利用保角變換和天線在諧振頻率處對(duì)應(yīng)的近場(chǎng)分布解釋了對(duì)數(shù)周期納米光天線多諧振場(chǎng)增強(qiáng)的物理

5、機(jī)理，并將具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的蝴蝶結(jié)型納米天線與對(duì)數(shù)周期天線的場(chǎng)增強(qiáng)特性進(jìn)行了對(duì)比研究。
　　(4)完成了單層石墨烯對(duì)數(shù)周期納米光天線的建模仿真，利用Drude模型擬合了單層石墨烯的介電常數(shù)，分析了其介電常數(shù)隨石墨烯化學(xué)勢(shì)的變化趨勢(shì)。用FDTD方法仿真計(jì)算了石墨烯對(duì)數(shù)周期納米光天線在不同化學(xué)勢(shì)下的場(chǎng)增強(qiáng)和雷達(dá)散射截面，分析了基于石墨烯的對(duì)數(shù)周期納米天在不同的化學(xué)勢(shì)下的多諧振場(chǎng)增強(qiáng)的特性，給出了石墨烯化學(xué)勢(shì)對(duì)其對(duì)諧振場(chǎng)增強(qiáng)的調(diào)控規(guī)律。

6、
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容是寬頻帶納米光天線，利用電磁仿真數(shù)值分析方法及理論分析方法對(duì)寬頻帶納米光天線進(jìn)行理論分析和優(yōu)化，其創(chuàng)新點(diǎn)提現(xiàn)在以下三個(gè)方面:
　?、?用時(shí)域有限差分方法計(jì)算法分析了蝴蝶結(jié)型結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對(duì)蝴蝶結(jié)型納米金屬光天線的Purcell因子的影響，結(jié)果表明，蝴蝶結(jié)型納米金屬光天線Purcell因子受扇形厚度、扇形長(zhǎng)度和扇形尖端益率半徑的影響較為明顯。其次，仿真了光天線的近場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)了天線近場(chǎng)隨扇形結(jié)構(gòu)變化的規(guī)

7、律與其Purcell因子隨扇形結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律類似，發(fā)現(xiàn)了扇形表面的局域場(chǎng)與其結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系以及Purcell因子增強(qiáng)的內(nèi)在機(jī)制;最后計(jì)算了光天線的效率，發(fā)現(xiàn)天線效率隨扇形展開角增大而變小，但曲率半徑的變化對(duì)天線效率影響較小。這些結(jié)果對(duì)于蝴蝶結(jié)型納米金屬光天線的設(shè)計(jì)和分析具有重要意義。
　?、?設(shè)計(jì)了一種齒形對(duì)數(shù)周期納米光天線，并用時(shí)域有限差分方法進(jìn)行了建模仿真。主要針對(duì)天線的場(chǎng)增強(qiáng)和Purcell因子效應(yīng)進(jìn)行了仿真分析。根據(jù)仿真結(jié)

8、果獲得了其多諧振場(chǎng)增強(qiáng)特性與對(duì)數(shù)周期納米天線的外半徑、齒形展開角、相鄰齒的比例因子、齒的個(gè)數(shù)、扇形展開角、天線間距以及襯底等因素影響其多諧振場(chǎng)增強(qiáng)的規(guī)律。并通過(guò)近場(chǎng)分布以及保角變換分析了其多諧振場(chǎng)增強(qiáng)的特性。充分證實(shí)了通過(guò)調(diào)整天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以控制其多諧振場(chǎng)增強(qiáng)特性。最后通過(guò)與具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的蝴蝶結(jié)型納米光天線對(duì)比研究，為改進(jìn)寬頻帶納米天線的光學(xué)特性奠定了理論基礎(chǔ)。
　?、?在金屬對(duì)數(shù)周期納米天線的基礎(chǔ)上，研究了基于石墨烯的對(duì)數(shù)

9、周期納米天線。通過(guò)久保公式計(jì)算了石墨烯表面電導(dǎo)率，利用Drude模型擬合了單層石墨烯在4-24 THz的介電常數(shù)。并在不同的石墨烯化學(xué)勢(shì)的條件下，分析了其介電常數(shù)的變化規(guī)律。仿真計(jì)算了在不同化學(xué)勢(shì)的條件下，石墨烯對(duì)數(shù)周期納米天線的場(chǎng)增強(qiáng)及雷達(dá)散射截面。通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證了基于石墨烯的對(duì)數(shù)周期納米天線具有多諧振場(chǎng)增強(qiáng)特性。并且分析了場(chǎng)增強(qiáng)諧振頻率與石墨烯化學(xué)勢(shì)之間的關(guān)系。獲得了石墨烯化學(xué)勢(shì)對(duì)其多諧振場(chǎng)增強(qiáng)特性及雷達(dá)散射截面的調(diào)控規(guī)律。實(shí)現(xiàn)了