纳米金属光天线远场特性的研究

论文摘要

随着微细加工技术和集成光学的不断发展,光学元器件的小型化程度已经接近光的衍射极限,如何在亚波长尺度有效的实现光的近场和远场的转化,是目前亟待解决的问题。纳米金属结构光天线是一种由金属纳米微粒构成的,利用纳米金属结构中表面等离激元（SPPs）独特的光学特性,可以有效地将自由空间中的辐射能量耦合到亚波长尺度空间内的装置。在新型光源、光伏电池、高灵敏生物传感器等领域有着重要的应用前景。纳米金属光天线是无线电或微波天线到纳米尺寸微型化的推广,但由于受SPPs的影响,呈现出与传统微波天线不同的近远场特性。目前已经有很多国内外的研究者对不同纳米金属结构光天线的近场以及辐射效率进行了研究,该论文在此研究基础上,主要对纳米金属光天线的远场特性进行了深入研究。论文对于纳米金属光天线的设计和实现具有很大的理论参考价值。本论文主要研究了光偶极天线和光八木-宇田天线的远场特性。根据经典的传统天线理论并结合金属纳米结构的相关特性,建立相应的光天线模型并仿真模拟,通过观察纳米金属结构光天线的远场变化以及近场的电场法向分布,分析了SPPs在纳米金属结构表面引起的近场增强的效应（体现为局域化表面等离激元,LSPs）以及对远场辐射的影响,从而得出相应的纳米金属光天线远场变化的规律以及与经典天线的异同。本论文主要进行了以下的研究并取得了相应的成果和结论：1、论文第一章介绍了本论文的研究背景及研究意义。本章首先通过介绍表面等离激元和纳米金属光天线的基本概念、发展历史以及研究现状,引出了本论文研究的目的和意义,最后介绍了本论文主要的研究工作。2、论文第二章介绍了色散介质时域有限差分（FDTD）法。本章首先简要的介绍了金属材料的几种色散模型,并选择了修正正Drude模型来模拟金属材料；其次详细的介绍通过引入电通量密度D来实现修正正Drude色散模型的FDTD算法,并讨论了使用FDTD算法所需要设置的PML吸收边界条件、电偶极子激励源以及数值稳定性等的相关内容。最后介绍了电磁场近远场的外推原理以及在三维情况下时谐场的外推计算公式。3、论文第三章研究了两种纳米金属结构光偶极天线（ODA）模型的远场特性。本章首先对研究的两种光偶极天线模型进行了描述,然后模拟了光偶极天线随天线长度变化的的辐射图样以及法向的电场分布,分析了局域化表面等离激元（LSPs）模式的变化以及对远场方向性带来的影响。研究发现光偶极天线的远场变化规律跟传统的偶极天线类似,但由于高阶LSPs的影响,光偶极天线远场图样更快地出现了旁瓣。光偶极天线要想得到更好的远场方向性,其长度必须满足亚波长的小尺寸。这给光偶极天线的设计和实现提供了非常有意义的指导建议和理论参考。4、论文第四章研究了光八木-宇田天线（OYUA）的远场特性。本章首先建立了光八木-宇田天线模型,然后对光八木-宇田天线模型的各几何参数进行了扫描,分析了各个几何参数对光八木-宇田天线远场特性的影响,研究发现光八木-宇田天线的远场特性跟传统八木天线相似,通过调节几何参数可以获得较尖锐的单向辐射特性以及较高的增益,并且随着引向器个数的增多,其远场方向性也越好,但是由于LSPs的激发,导致有源阵子、反射器与引向器的长度缩短。因此,光八木天线也需要保持在亚波长尺寸才可以达到有效的单引向作用。5、论文的第五章对本论文的研究进行了总结和展望。综上所述,本论文运用FDTD方法对光偶极天线以及光八木-宇田天线进行了远场方向特性的研究,通过分析其近场法向分量,研究了LSPs对光天线的远场特性的影响以及光天线与传统天线的异同,这些研究对实际光天线的设计和制造具有重要的理论参考价值。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 缩略词索引
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景及现状
• 1.1.1 表面等离激元
• 1.1.2 局域表面等离激元
• 1.1.3 纳米金属光天线
• 1.1.4 光天线的研究现状
• 1.2 研究的目的及意义
• 1.3 论文的主要工作
• 第二章 色散介质的时域有限差分方法
• 2.1 金属材料的色散仿真模型
• 2.1.1 Lorentz模型
• 2.1.2 Drude模型以及其修正形式
• 2.1.3 修正Drude模型的拟合
• 2.2 修正Drude模型的时域有限差分方法
• 2.2.1 色散介质FDTD算法
• 2.2.2 吸收边界条件
• 2.2.3 电偶极子源设置
• 2.2.4 稳定性分析和数值色散
• 2.3 近-远场外推
• 2.3.1 等效原理
• 2.3.2 三维情况下时谐场的外推
• 2.4 本章小结
• 第三章 光偶极天线的远场特性研究
• 3.1 光偶极天线研究模型
• 3.2 光偶极天线的远场分析
• 3.3 光偶极天线的近场分析
• 3.4 光偶极天线与传统偶极天线的比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 光八木-宇田天线的远场特性研究
• 4.1 光八木-宇田天线研究模型
• 4.2 光八木-宇田天线的远场分析
• 4.2.1 反射器长度对远场辐射的影响
• 4.2.2 反射器与有源阵子间距对远场辐射的影响
• 4.2.3 引向器长度对远场辐射的影响
• 4.2.4 引向器与有源阵子间距对远场辐射的影响
• 4.2.5 引向器个数对远场辐射的影响
• 4.3 光八木-宇田天线的近场分析
• 4.4 光八木-宇田天线与传统八木-宇田天线的比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 主要工作总结
• 5.2 研究展望和建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表