若干納米結(jié)構(gòu)光學(xué)性質(zhì)的理論研究.pdf

1、麥克斯韋方程組是經(jīng)典電磁理論的基本方程，通過求解麥克斯韋方程組可以得到電磁場的分布。常見求解方程組的方法有兩種:解析法和數(shù)值法。解析法只能處理一些簡單規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系，對于復(fù)雜體系不僅運(yùn)算量大，而且分析過程也非常復(fù)雜。數(shù)值計算不僅速度非常快，而且也非常精確，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計算越來越顯示出了它的重要性。本文主要運(yùn)用數(shù)值計算給出了六點(diǎn)花金龜背部產(chǎn)生鮮艷顏色的原因，給出了亞波長管狀微腔作為傳感器時的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時也介紹了通電碳納

2、米纖維的力學(xué)效應(yīng)。
　　本文由五章組成。在第一章中，首先介紹了電磁波的發(fā)展歷程，然后提出解決電磁波問題的計算方法:包括解析法和數(shù)值法。最后重點(diǎn)介紹了數(shù)值法的求解步驟。
　　在第二章中，介紹了四種常見的數(shù)值模擬方法:平面波法、傳輸矩陣法、散射矩陣法和米氏散射法。前三種方法適用于周期性結(jié)構(gòu)，如光子晶體等，這三種方法有各自的優(yōu)劣點(diǎn)，在處理不同體系時我們應(yīng)該采取不同的方法，以便準(zhǔn)確快速的求解麥克斯韋方程組。第四種方法是在球坐標(biāo)下對麥

3、克斯韋方程組的嚴(yán)格數(shù)學(xué)解，推導(dǎo)過程中運(yùn)用了大量的偏微分方程和非初等函數(shù)，但是對于我們來說，更注重對結(jié)果的理解。
　　在第三章中，給出了六點(diǎn)花金龜鮮亮顏色產(chǎn)生的原因。甲蟲顏色的產(chǎn)生是由于結(jié)構(gòu)引起的，即為結(jié)構(gòu)色。首先我們通過掃描隧道顯微鏡對甲蟲鞘翅層的橫切面和縱切面分別進(jìn)行了拍照，得出甲蟲的結(jié)構(gòu)。然后抽象模型，并提出將短程有序結(jié)構(gòu)等效為一系列無序結(jié)構(gòu)的疊加來模擬甲蟲結(jié)構(gòu)。最后通過數(shù)值計算得出甲蟲的能帶結(jié)構(gòu)和反射譜，同時也給出了解析公式

4、，這兩者與實(shí)驗(yàn)均吻合的非常好。證明了我們理論解釋和處理方法的正確性。
　　在第四章中，介紹了亞波長管狀微腔在傳感器領(lǐng)域中的應(yīng)用。亞波長管狀微腔可以產(chǎn)生Whispering gallery modes(WGMs)， WGMs模式具有非常高的Q因子，很適合用來作為傳感器。本章首先介紹了亞波長管狀微腔的結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生的共振模式的解析解。由于解析解不能有效的給出共振模式的Q因子值，接著我們介紹了米氏散射方法在管狀微腔中的應(yīng)用，通過米氏散射理

5、論準(zhǔn)確高效的求出了共振模式。最后我們將微腔應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域，考慮了理想和實(shí)際兩種情況，并通過合理的改變微腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和其所處的環(huán)境，得出靈敏度和最小分辨率都比較高的傳感器。
　　在第五章中，介紹了通電碳納米管纖維產(chǎn)生收縮力和扭轉(zhuǎn)力的現(xiàn)象。根據(jù)能量守恒定律，碳納米管纖維將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。這種轉(zhuǎn)化可以在任何環(huán)境下進(jìn)行，且當(dāng)?shù)碗娏魍ㄟ^時，碳納米纖維產(chǎn)生的力是骨骼肌所產(chǎn)生力的100倍。但是通電纖維在某些角度產(chǎn)生的力最大，我們通過數(shù)值模擬