各向异性特异纳米颗粒体系电磁性质的研究

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1、各向异性特异纳米颗粒体系电磁性质研究中文摘要各向异性特异纳米颗粒体系电磁性质研究中文摘要本文主要研究径向各向异性特异纳米颗粒体系的电磁波散射特性。基于各向同性小球电磁波散射理论（Lorenz-Mie散射理论），将之推广到径向各向异性带壳球和带壳柱体系，率先建立了该体系完整的全波电磁散射理论。具体研究内容分以下几方面：1.径向各向异性纳米球颗粒的非瑞利散射特性运用推广的Lorenz-Mie散射理论研究具有径向各项异性球形纳米颗粒的电磁波散射特性。重点研讨在准静态近似下（q0,mq0），纳米颗粒散射效率Q对尺sca寸参数q（qka）的依赖关系，研

2、究表明各向异性纳米球颗粒的散射效率对尺寸的04依赖可以不同于传统的小颗粒近似下的散射规律:瑞利定则（即Qq）。具体表现sca如下：（1）各向异性纳米球介电常数满足2/1（或磁导率满足2/1）trtr时，小球的散射效率是一个可调节其大小的常数。（2）当2/1并且21trtt2时，其散射效率可以与1/q成正比，产生颗粒越小，散射越大的“非常”现象。（3）更有趣的是，相比各向同性小球所不能实现的结果，当(1)/2和trr8(1)/2）时散射效率会有一个特异的渐进行为：QFq。换句话说，当trrsca

3、q0时，小颗粒的散射与各向同性颗粒比较起来，变得更加迅速的趋向零。同时，各向异性介电常数和磁导率的适当调节，可使系数F尽可能的减小。因而，这种各向异性颗粒更容易“消失”或者说“隐形”。2.径向各向异性纳米球颗粒电磁波散射强度方向性与偏振性的调控基于径向各向异性球颗粒的全波电磁散射理论，进一步研究其电磁波散射强度的方向性控制以及散射波偏振性。从拓展的Mie散射系数出发，获得准静态近似下纳米球颗粒前向（散射角为0度）和背向散射（散射角为180度）强度为零的解析修正表达式。该修正条件既能满足前向与背向散射强度为零，又能满足光学原理CCC。其次，

4、通过调节球颗粒的径向各向异性电磁参数，进一步将散射强extscaabs度为零推广到任意散射角度。最后，我们还导出准静态近似下各向异性球散射光为完全偏振光的解析表达式，或称之为推广的“布儒斯特角”。数值计算表明适当调节颗粒的电磁各向异性比率可以获得高质量的完全偏振光（TE模式或TM模式），使得散射光在更大角度范围内偏振化程度得到提高（更接近于1或-1）。3.径向各向异性对金属核-壳纳米球颗粒体系表面等离子激元共振等光学性质的影响我们将Lorenz-Mie散射理论拓展到具有径向各向异性核-壳结构球颗粒体系，阐述了径向各向异性球颗粒电磁波散射消光光谱中偶

5、极和四极共振的特性。对于电介质核-金属壳的体系，在小尺寸情形下引入核层的各向异性会导致偶极共振波长的蓝移。而在大尺寸情形下（内核半径大于９０纳米）引入各向异性并不能改变偶极共振波长。此外，还研究了消光光谱中偶极共振和四极共振峰值随各向异性参数的变化特征。数值仿真模拟结果表明共振时颗粒附近的场有显著增强，局域电场的增强可以通过适当改变球内核的各向异性来实现其可调节性；不仅可以改变电场增强的区域，而且还可以改变其最大增强值。对于金属核-电介质壳结构，在壳层中引入径向各向异性，会导致小尺寸情形偶极共振的蓝移，但随着尺寸变大共振波长出现红移现象。因此，引入

6、径向各项异性的光学参数可以实现可调的表面等离子激元共振以及可改变的局域场增强。4.各向异性带壳纳米柱的隐身特性我们率先建立具有柱各向异性无限长带壳圆柱体的全波电磁散射理论。获得空间各区域电磁场的精确表达式，并且该结果对物体的尺寸以及构成材料没有任何限制。各向异性特异纳米颗粒体系电磁性质研究中文摘要研究表明通过适当调节壳层电各向异性参数，带壳柱的散射效率可以得到显著减小，相反的是调节内层各向异性参数并不能得到减小散射效率的结果。此外，同时调节柱的电各向异性以及磁各向异性参数，可以使得柱形目标物的散射极大减小，甚至是“不可见”，磁场的ComsolMul

7、tiphysics数值仿真模拟验证了这一结果。在长波极限下，运用有效媒质理论推导出各向异性带壳柱的等效介电常数和磁导率，并获得准静态下柱体不可见（也即是散射为零）时核壳半径比与各向异性光学参数之间的关系。小尺寸情形全波理论数值计算柱体不可见的核壳半径比与有效媒质理论描述的核壳半径比一致。关键词：电磁特异材料；径向各向异性；全波电磁散射理论；纳米颗粒；表面等离子激元共振；准静态近似作者：倪亚贤指导教师：高雷各向异性特异纳米颗粒体系电磁性质研究英文摘要Theelectromagneticpropertiesoftheanisotropicnanopar

8、ticlesAbstractInthisthesis,weinvestigatetheparticularelectrom