【摘 要】
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随着纳米技术的发展,微纳光子结构的研究在近三十年里取得了空前的进步,成为当今光子学研究的热点领域,其主要研究目的是通过对材料的结构设计来实现对光传输、吸收和发射等方面的调控。在微纳光子结构中,由微纳颗粒构成的结构占据其中重要的位置。微纳颗粒在外场激发下可以表现出强烈的米氏散射,通过结构设计来调节颗粒的多极子共振以及多极子间的耦合,可以实现很多有趣的物理现象,例如多层结构中的等离子体隐身与激光,颗粒
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随着纳米技术的发展,微纳光子结构的研究在近三十年里取得了空前的进步,成为当今光子学研究的热点领域,其主要研究目的是通过对材料的结构设计来实现对光传输、吸收和发射等方面的调控。在微纳光子结构中,由微纳颗粒构成的结构占据其中重要的位置。微纳颗粒在外场激发下可以表现出强烈的米氏散射,通过结构设计来调节颗粒的多极子共振以及多极子间的耦合,可以实现很多有趣的物理现象,例如多层结构中的等离子体隐身与激光,颗粒团簇中的强环偶极子共振等等。到目前为止,人们对微纳颗粒构成的结构进行了广泛的研究,很多问题被一一解决,但不可否认的是依旧存在很多空白,例如等离激元模式的数学解析等。在本论文中,根据结构的复杂程度,我们分别研究了三种不同的微纳光子结构:介质石墨烯的核壳单体结构、金属颗粒团簇以及介质圆柱周期结构。利用散射理论,我们研究了颗粒的多极子共振之间的耦合并解释了结构中出现的几种特殊光学现象。文章的主要结构如下:在第一章中,我们简单介绍了米氏散射理论,对单体颗粒、颗粒团簇和周期结构这三种微纳光子结构的研究现状进行了总结,并对论文中所研究的光学现象进行了详细介绍。在第二章中,我们介绍了在解释光学现象中所使用的三种理论计算方法,包括多极子展开、耦合偶极子方程以及层有效介质理论。最后简单介绍了论文中使用的模拟工具。在第三章中,我们提出了一种利用增益石墨烯包裹介质圆柱实现可调节的太赫兹隐身和激光的模型。通过将石墨烯包裹在介质圆柱上,利用石墨烯和介质圆柱偶极子模式之间的散射相消,实现了太赫兹波段的等离子体隐身。根据石墨烯在泵浦光激发下可以表现出增益的性质,利用石墨烯表面等离激元和增益间的强相互作用实现了太赫兹激光。另外,因为石墨烯中增益的大小可以通过泵浦光进行连续调节,所以我们实现的太赫兹隐身和激光具有可调节性,同时在同一结构中还可以实现隐身与激光的转换。在第四章中,我们研究了具有旋转对称的金属纳米颗粒团簇的等离激元模式对入射角的依赖性。利用本征模分解的方法,我们给出了颗粒团簇等离激元模式的解析解并分析了它们的共振特性。通过对等离激元模式激发效率和消光截面的研究,我们给出了颗粒团簇在外场下的光学响应与入射角的关系:当颗粒团簇的个数为偶数时,所有的等离激元模式对外场都没有角度依赖性;当颗粒团簇的个数为奇数时,会存在一个非简并的模式,它对入射角度有着很大的依赖性,而其他模式对入射角同样没有依赖性。最后我们分析了负消光截面出现的原因以及单向散射的实现。在第五章中,我们研究了不同周期的两种二维光子晶体界面处的边界态和连续谱中的束缚态。不同周期的两种光子晶体界面处的边界态在两种光子晶体的公共带隙中出现了折叠,并且我们证明边界态的存在可以通过两种光子晶体的表面阻抗来确定。因为沿界面方向两种结构的周期不同,在公共周期下两种光子晶体的投影能带会发生折叠,导致部分边界态被投影能带所覆盖,进而变成共振模式。然而,在布里渊区中心,由于边界态和体态的对称性不同使得它们之间完全不耦合,因此（38）点处的共振态不会向外界辐射,从而形成了在（38）点处对称保护的连续谱中的束缚态,这为我们提供了一个根据边界态来构造连续谱中的束缚态的一般方案。在最后一章中,我们对博士期间的研究工作进行了总结,并对未来的发展进行了展望。
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