異質光學納米天線共振與偶極源輻射調控特性研究.pdf

1、表面等離子體納米微腔、納米棒及其陣列是進行光學納米天線設計的基本單元。由于表面等離子體納米天線可應用于表面增強的拉曼散射、太陽能利用、光學傳感、非線性增強以及成像等領域，因此得到了廣泛的研究。目前，理論上已經能對單個納米棒共振波長進行準確預測，但對于對稱耦合納米棒及其異質光學納米天線的有效理論研究卻依然缺乏。在金屬光學納米天線中，沿著徑向偏振的表面等離子體波在納米天線的末端面會有一個非常規(guī)的反射相位，這個相位變化與納米天線本身的結構、端

2、面特性、周圍介質特性以及入射光的波長等密切相關。然而在可見光頻段，由于納米天線較強的共振耦合作用，宏觀理論中末端面的反射系數(shù)、反射振幅及反射相位的一些方法不再適應。因此，建立一套新的簡潔有效的全解析或半解析理論來定性地描述納米天線的共振特性顯得十分必要。
　　針對這一問題，本文發(fā)展了一套可適用于不同形狀和耦合方式的光學納米天線的電磁散射理論，并基于其研究了單個柱形金屬納米棒、二維金屬-介電-金屬（Metal-Dielectric-

3、Metal，MDM）波導、耦合對稱和耦合非對稱圓形端面的金屬納米棒以及耦合納米盤等納米天線的共振特性。結合索末菲表面波理論和不同結構納米天線內部電磁場和外部電磁場的分布特點，利用傳輸線理論和等效電路方法明確定義了納米天線臂末端面的復反射系數(shù)。通過該復反射系數(shù)計算出納米天線末端面的反射相位，最后利用Fabry-Pérot腔共振相位匹配條件預測出來納米天線的共振波長?；诖?，我們嚴格地分析和計算了不同納米天線結構在不同參數(shù)（如納米天線材料、

4、長度和半徑，不同的背景介質的介電常數(shù)等）條件下的共振波長，理論結果與三維全波電磁數(shù)值計算（基于COMSOL Multiphysics）吻合的很好。
　　通過調節(jié)納米天線結構參數(shù)可以得到特定波長下的共振以及不同階數(shù)下同一波長下的共振，我們實現(xiàn)了“相稱共振”，并驗證了其中偶極輻射效率調控方面的增強效應。最后，通過進一步調整納米天線的長徑比實現(xiàn)耦合納米盤天線，我們發(fā)現(xiàn)一種非常特殊的“環(huán)形磁場模式”。計算結果表明這種共振模式的模場分布于偶