光學(xué)天線調(diào)控的光輻射研究.pdf

1、基于光學(xué)天線調(diào)控的光輻射及其應(yīng)用是微納光學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。光學(xué)天線可以對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行高效地耦合與高度地局域化，是一種實(shí)現(xiàn)自由空間傳播光場(chǎng)和局域光場(chǎng)之間高效轉(zhuǎn)換的納米結(jié)構(gòu)，是連接兩者之間的橋梁。由于光學(xué)天線具有很高的局域場(chǎng)增強(qiáng)和很好的方向性等特點(diǎn)，利用光學(xué)天線可以實(shí)現(xiàn)局域量子點(diǎn)發(fā)光的高效定向輻射。因此光學(xué)天線在電磁能量耦合、轉(zhuǎn)化以及相干控制的過(guò)程中可以起到至關(guān)重要的調(diào)控與放大作用，在超靈敏單分子探測(cè)、局域激射（單光子源）、納光電子集成芯片、量

2、子調(diào)控等方面都具有很重要的應(yīng)用。本論文圍繞光學(xué)天線調(diào)控增強(qiáng)發(fā)光的基本物理過(guò)程，研究了光學(xué)天線調(diào)控的自發(fā)輻射增強(qiáng)效應(yīng)、輻射效率、方向性，以及光學(xué)天線結(jié)構(gòu)中的磁模式、非局域效應(yīng)對(duì)其輻射調(diào)控的影響。
　　本論文的主要研究工作如下:
　　1.基于多球并矢格林函數(shù)的解析算法，分析了偶極子光源與金屬-介質(zhì)復(fù)合光學(xué)天線的相互作用過(guò)程。引入輻射增強(qiáng)因子來(lái)綜合考察光學(xué)天線調(diào)控的自發(fā)輻射增強(qiáng)與輻射效率。進(jìn)而設(shè)計(jì)了由銀納米球與介質(zhì)納米球組成的金屬

3、-介質(zhì)復(fù)合光學(xué)天線，實(shí)現(xiàn)了寬譜的高Purcell因子與高效輻射。
　　2.研究了貼片光學(xué)天線結(jié)構(gòu)中的模式特性及其光輻射調(diào)控。構(gòu)造了銀納米球與雙曲超材料多層膜耦合的貼片光學(xué)天線。通過(guò)調(diào)節(jié)銀納米球的大小以及多層膜中銀膜與硅膜的厚度比例，增強(qiáng)了雙曲超材料中體模式的激發(fā)。引入磁模式來(lái)增加光學(xué)天線對(duì)光輻射的調(diào)控途徑，設(shè)計(jì)了支持多種間隔層模式（gap mode）的銀納米長(zhǎng)方體貼片光學(xué)天線，利用非對(duì)稱電偶極子激發(fā)該光學(xué)天線的電模式與磁模式共振耦

4、合，實(shí)現(xiàn)了貼片光學(xué)天線調(diào)控的單向輻射。
　　3.基于局域近似模型，以銀納米長(zhǎng)方體組成的二聚體光學(xué)天線為例，研究了間隔層中的非局域效應(yīng)。分析了在電偶極子與磁偶極子的不同激發(fā)方式下，不同間隔層參數(shù)（厚度、折射率）下非局域效應(yīng)對(duì)光學(xué)天線調(diào)控的輻射特性的影響。討論了非局域效應(yīng)引入后，光學(xué)天線對(duì)自發(fā)輻射增強(qiáng)調(diào)控的強(qiáng)度與共振譜的變化。
　　本論文的創(chuàng)新點(diǎn)和特色:
　　1.通過(guò)引入金屬-介質(zhì)復(fù)合光學(xué)天線結(jié)構(gòu)，以解決金屬結(jié)構(gòu)光學(xué)天線損

5、耗高，介質(zhì)結(jié)構(gòu)光學(xué)天線自發(fā)輻射增強(qiáng)低的矛盾問(wèn)題，設(shè)計(jì)優(yōu)化金屬-介質(zhì)復(fù)合光學(xué)天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了寬譜的高效率高增強(qiáng)輻射。
　　2.引入磁模式，設(shè)計(jì)了銀納米長(zhǎng)方體貼片光學(xué)天線。采用非對(duì)稱的激發(fā)方式，通過(guò)調(diào)節(jié)銀納米長(zhǎng)方體的尺寸結(jié)構(gòu)，使得電模式與磁模式共振耦合，實(shí)現(xiàn)了面內(nèi)的單向輻射。
　　3.在具有極小間隔層的光學(xué)天線結(jié)構(gòu)中，引入非局域效應(yīng)的影響。研究了電偶極子和磁偶極子激發(fā)下，間隔層中的非局域效應(yīng)。對(duì)比分析了不同間隔層參數(shù)（厚度