调控近场增强及单向散射的光学纳米天线研究

《调控近场增强及单向散射的光学纳米天线研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、博士学位论文调控近场增强及单向散射的光学纳米天线研究STUDYOFOPTICALNANOANTENNAONCONTROLLINGNEAR-FIELDENHANCEMENTANDUNIDIRECTIONALSCATTERING张小明哈尔滨工业大学2018年国内图书分类号：TN820学校代码：10213国际图书分类号：537.8密级：公开工学博士学位论文调控近场增强及单向散射的光学纳米天线研究博士研究生：张小明导师：肖君军教授申请学位：工学博士学科：物理电子学所在单位：深圳研究生院答辩日期：2017年12月

2、授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN820U.D.C:537.8DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTUDYOFOPTICALNANOANTENNAONCONTROLLINGNEAR-FIELDENHANCEMENTANDUNIDIRECTIONALSCATTERINGCandidate：ZhangXiaomingSupervisor：Prof.XiaoJun-JunAcademicDegreeAppliedfor：Do

3、ctorofEngineeringSpeciality：PhysicalElectronicsAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要光学纳米天线（opticalnanoantenna）是微纳光子学的热门研究领域之一，在生物传感、光电探测以及近场显微镜等诸多领域具有很大的应用价值和潜力。作为电磁波的媒介

4、，纳米天线可以将电磁波远场的能量转化为局域的电磁场能量。因此，它能够将自由传播的光波转化为高密度的亚波长“热点”，极大的增加附近发光分子的激发速率。反之，对于处在激发态的分子，光学天线可以作为一个二能级光源来增强该分子的辐射衰减速率。此外，纳米天线散射和辐射的电磁场在远场也会产生相干作用，导致远场的辐射特性发生变化。光学天线与传统射频天线在机制机理上有许多不同之处，为充分考察光学天线的特殊光场性质，如近场增强特性，远场单向性散射等，论文工作以贵金属二聚体型纳米天线，全介电纳米天线和金属-介电贴片型纳米天

5、线的多模耦合作用导致的近场和远场特性为主线展开了以下的研究内容：（1）探讨了贵金属纳米颗粒组成的二聚体型纳米天线由于不同LSPR电共振模式的耦合作用产生的Fano共振。对于支持电偶极-电偶极Fano共振的二聚体天线，不仅可以对光场的散射效率进行调控，同时还会对远场散射单向性产生影响。对于支持电偶极-电多极Fano共振的二聚体型天线，研究了一个偶极辐射源与支持Fano共振和多重Fano共振的金属二聚体型纳米天线的耦合作用，提出了偶极辐射源与二聚体型天线的相对位置决定了每个颗粒的LSPR模式是光学明态还是光

6、学暗态的观点。最后，设计和研究了一类支持EIT效应的金属二聚体型纳米天线。（2）对全介电纳米天线的近场和远场特性进行了研究。研究发现，不同半径尺寸的全介电中空圆柱纳米天线中心轴处产生磁“热点”的个数不同，并阐明了它们的形成机制。进一步的，通过调节介电中空圆柱纳米天线的结构参数，可以使得玻塞尔系数（Purcellfactor）得到很大增强，极大的增强磁偶极源的辐射衰减率。另外，设计的全介电中空圆柱纳米天线支持的多个模式可以在两个波长处满足广义的Kerker条件，实现双波长的前向散射。（3）探讨了多层金属-

7、介电贴片型纳米天线中的腔模的性质。利用腔模与偶极辐射源的重叠程度和对称性原理，可以通过改变偶极源的位置选择性的激发纳米天线的腔模，并且给出了预测不同几何尺寸纳米天线中各个腔模共振频率的理论方法。另外，利用多层金属-介电贴片型天线的天线模和腔模的相干作用，实现了该类纳米天线在不同波长单向性散射。最后，通过调节该纳米天线的结构参数，实现了远场散射能量由前向辐射（后向辐射）到后向辐射（前向辐射）的转换。-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文基于本文设计与研究的光学天线，可以灵活的操控光波与纳米尺度物质的相互作用

8、，提升了光学天线在光谱学，传感，显示技术和光电器件的实用性和应用潜力。关键词：表面等离激元天线；介电光学纳米天线；金属-介电混合天线；模式耦合；Fano共振-II-AbstractAbstractOpticalantennasareemergingaspowerfulbuildingblocksforexploringthepotentialapplicationsinbiosensing,photodetectionandnear-fie