表面等离子体纳米结构若干光学性质的研究.doc

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摘要
表面等离子体的发现及应用，为实现纳米尺度的光学控制提供了有力的工具。金属纳米粒子对表面等离子体的研究至关重要，选择合适形状、尺寸以及排列结构的纳米粒子结构，可以提高表面等离子体的光场强度，更好地实现基于纳米粒子阵列的表面等离子体的聚焦和导波。
本文主要研究了金膜上纳米粒子抛物链在外电场激励下的表面等离子体的聚焦和导波：
（1）针对格林函数分量计算中涉及到的Sommerfeld积分，研究了快速算法实现高效的积分运算，给出了沿最陡下降路径积分的计算实例，并与国外的结果进行分析对比，证明了运用的计算方法结果正确，算法快。基于Sommerfeld积分的快速算法，分析和计算了半空间中任意方向的电偶极子的辐射和散射。
（2）从电磁基本理论出发，深入研究了金膜上基于纳米粒子抛物链的表面等离子体的相互作用，由并矢格林函数求解波动方程，建立分层参考系统的电磁场模型。将纳米粒子抛物链划分为一系列立方单元，并利用耦合偶极子法将该积分方程转化为矩阵方程，从而计算出空间任意点的电场。
（3）应用格林函数体积积分法，研究了金膜上球形纳米粒子链在高斯光束照射下的SPPs激发、聚焦和导波。研究了入射光斑大小、入射光沿链的位置、粒子间距和粒子链的曲率半径对SPPs激发、聚焦和导波影响。结果表明，粒子间距、入射光斑大小对SPPs聚焦及其分布有很大影响。入射光斑尺寸减小，激发的SPPs光束的衍射发散的增加，SPPs聚焦效果减弱。SPPs场在很大程度上也取决于粒子间距，在粒子间距小于SPPs波长时，可以实现较好的SPPs聚焦和导波效果。

关键词表面等离子体；纳米粒子；格林函数法；耦合偶极子法；数值模拟

Abstract
Surfaceplasmonpolaritons(SPPs)havebeenprovedtobetterpowerfultoolfortheopticalmanipulationonnanoscale.Thenanoparticleonthemetalthinfilmplaysanimportantroleofsurfaceplasmonpolaritons.Ifthemetallicnanoparticlesaredesignedwithsuitableshape,sizeandarrangement,electricfieldmagnitudecanbehighlyimproved.Further,excitation,focusinganddirectingofsurfaceplasmonpolaritonswithnanoparticleslocatedonafinitemetallayercouldbeaccomplishedtheoretically.
Nomatterwhichmethodisusedforthecalculationofscatteredfields,therewillbeacommondifficulty:theevaluationofSommerfeldintegrals,whichisextremelytimeconsuming.TheintegrationalongsteepestdescentpathsisintroducedtoevaluatetheseSommerfeldintegrals.Numericalresultsshowthatthefastmethodcangreatlyacceleratethecomputationforscatteringproblems.BasedonthefastevaluationofSommerfeldintegrals,theradiationofanarbitrarilyorientedelectricdipoleinahalfspaceisfirstanalyzedandcomputed.
Excitation,focusinganddirectingofsurfaceplasmonpolaritonswithcurvedchainsofnanoparticleslocatedonafinitegoldlayerareinvestigatedtheoretically.ThetheoryofGreen’sdyadicfunctionsonalayeredreferencesystemisoutlinedandelectromagneticpropertiesofsurfaceplasmonsarediscussed.Acurvedchainofnanoparticlesinupperhalf-spaceisdividedintoanumberofcubiccellsandthe