基于时域有限差分法的金属纳米光学天线最优尺度问题的研究

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纳米光学天线一般是指金属纳米颗粒及其相同结构的不同组合构成,通过调节金属纳米颗粒的结构和参数可实现对光频场约束、场增强或重定向等功能。金属纳米光学天线的等离子体共振特性使其在微纳尺度具有良好的控光能力,在纳米光学、化学和生物医学领域有着广泛的应用;而且使其作为近场光学探针时能够很大程度增加近场拉曼光谱信号的强度和测量的分辨率。近些年来,关于光学天线的研究主要集中在如何获得更高近场增强信号。已有的尖端增强的工作发现天线探针的尺寸变小时,其近场增强信号是增加的。那么,是否是将天线探针制备的越小就能得到越高的场增强信号,如何选择更优化的天线尺寸以获得更高的近场增强系数,以及对于一定的天线系统我们所能得到的近场增强的值可以无限增大还是存在一个极限值,关于这些问题还没有工作进行解答。  为了解决上述问题,我们构建了两种金纳米光学天线模型,单极天线和偶极天线,计算得到其近场增强随着纳米光学天线尺寸的变化曲线。仿真结果表明光学天线的近场增强系数并非随其尺寸的减小而单调递增,而是在特定波长存在一个系统的极限值。这个结论也许适用于所有的近场增强天线和探针,并且揭示了在实际的近场探针的制备中,一味追求将探针制备的更细更尖并不能解决增强系数不够大的问题。需要从其他方面对这个问题进行解决。  本论文结构安排为:第一部分综述了纳米光学天线的研究现状及进展,介绍本工作的理论基础,即金属纳米光学天线的相关理论。第二部分介绍仿真工作所采用的方法,时域有限差分法(The Finite-Difference Time-Domain,简称FDTD)。最后一部分是本文工作的主体部分,介绍仿真模拟工作的具体实现过程。首先基于FDTD方法对入射电磁波与两种不同类型金纳米光学天线的相互作用进行数值模拟,优化得到对固定工作波长谐振的金纳米天线结构。然后利用谐振结构,计算两种不同光学天线的近场增强随着纳米光学天线尺寸的变化。最后,我们对模拟结果进行详细的讨论,包括模拟过程中采取的远场近似和通过构建了一个多偶极子模型对仿真结果出现的根本物理原因做了解析解释。
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