金属纳米二聚体结构的局域表面等离子体激元共振特性研究

将金属纳米粒子二聚体结构作为光学谐振腔,采用 时域有限差分(FDTD)法仿真模拟了一种新型局域表面等离子体激光器(SPASER)。 使用洛伦兹复介电常数模型研究二聚体的增益介质特性,探讨了二聚体结构中 两个纳米局域表面等离子体激元共振(LSPR)以及相互作用机制,进一步研究了 LSPR相互作用对SPASER的局域场增强的影响。 模拟结果表明,相比较单纳米颗粒SPASER,LSPR的相互作用使得二聚体SPASER的局域电场显著 增强,增强因子最 大可以相差27倍。本文研究为纳米光学器件尤其是激光器件的设计提 供了依据。LSPR效应的 研究可以用于探索一些光与物质相互作用的极限效 应,从而为有源光子线路、生物传感以及量子信息处理等研究开辟道路。     

FDTD法分析等离子体对通信信号的影响

介绍了时域有限差分(FDTD)算法的基本原理,对FDTD算法进行了理论研究和公式推导,建立等离子体的模型,并运用FDTD算法对等离子体和电磁波间的作用机理进行了数值计算。运用MATLAB软件对结果进行了仿真,分析了等离子频率、等离子数量和碰撞频率等重要参数对电磁波反射特性的影响,并由此可得计算结果与目前的解析法和WKB方法结果接近,具有很高的准确性。     

Absorption enhancement of silicon solar cell with Ag nanoparticles by surface plasmons resonance

The absorption enhancements of silicon layer in silicon solar cells with three kinds of Ag nanoparticles including sphere, cylinder and cuboid are studied by the finite difference time domain （FDTD） method, respectively. The results show that the light absorption of silicon is significantly improved due to the localized surface plasmon （LSP） reso- nance. The relations of the absorption enhancement with the parameters of nanoparticles are thoroughly analyzed. The optimal absorption enhancement can be achieved by adjusting the relevant parameters. Among the three types of Ag nanoparticles, i.e., sphere, cylinder and cuboid, the silicon with the cubical Ag nanopaticles shows the most efficient absorption enhancement at optimal conditions, its maximum absorption enhancement factor is 1.35, and that with the spherical Ag nanopaticles gets the lowest absorption enhancement. The work is useful for the further theoretical study and design for the plasmonic thin-film solar cell.     

瞬变等离子体中电磁波频率漂移特性研究

推导一维瞬变磁化等离子体的时域有限差分(FDTD)递推式,并以一维金属谐振腔作为计算模型,分析了瞬变等离子体中电磁波频率漂移特性。从理论分析出发,得到了一维瞬变等离子体对电磁波作用的解析解。通过选取相同的模型和参数,将FDTD数值解与解析解进行对比, 验证了所用FDTD方法的准确性,在此基础上研究了瞬变等离子体中电磁波的频率漂移规律。     

金属纳米孔阵列透射增强的数值研究

纳米孔阵列的透射增强现象在许多领域都具有重要的应用和前景。采用时域有限差分(FDTD)方法对金属薄膜纳米孔阵列的透射增强特性进行了模拟研究。针对圆孔半径、薄膜厚度、阵列周期以及不同材料等因素进行了分析,讨论了不同参数条件下透射增强谱线的变化规律。研究表明大的圆孔半径和薄的薄膜厚度有利于提高透射性能,另外孔阵列周期较大时不利于增强透射。探讨了不同小孔形状对透射增强的影响,并采用矩形孔阵列进行了对比。最后通过改变薄膜材料计算了相应的透射性能。     

嵌入式纳米金阵列的表面等离子共振传感特性研究

基于本征值方程及时域有限差分(FDTD)算法,研究了嵌入二氧化硅衬底的菱形纳米金阵列表面等离子共振传感特性,推导出共振模式随嵌入深度变化的关系式.计算结果与数值模拟一致,验证了金纳米颗粒阵列上下介质的不对称性可以等效为单层介质光栅.理论分析了透射谱中产生多个共振峰的物理机制与影响因素,进一步探讨了透射谱与嵌入深度、长短轴比例、周期尺寸等参数的关系,分析了阵列结构的传感性能特点,为制作多波段工作的表面等离子体共振(SPR)传感器基底提供了理论依据.     

两种新的时域有限差分算法

本文提出了两种新的求解麦克斯韦偏微分方程组的差分网格模型，并在此网格模型的基础上，给出了两种时域有限差分（ＦＤＴＤ）新算法。这两种算法的性能在某些方面比传统的Ｙｅｅ－ＦＤＴＤ算法优越。     

纳米等离子体及其在生物传感器中的应用

近年来,基于表面等离子体的材料和器件在基础科学和应用科学研究领域受到了极大关注。首先介绍了纳米等离子体与激发光的作用机理及其展现的独特效应;然后分别介绍了纳米等离子体作为传感手段在DNA分子尺、单纳米粒子检测、表面增强型喇曼光谱等研究方向的最新进展,以及作为纳米操控手段在基因表达和抑制方面的研究进展;最后对表面等离子体在纳米技术领域的应用进行了讨论,并对其广阔的发展前景进行了展望。     

搅拌器配置对混波室场影响的FDTD分析

混波室能提供统计均匀和各向同性的场,是一种用于辐射发射、屏蔽效能及敏感度测试等电磁兼容测试的小室。本文用FDTD方法分析混波室的场分布,分析了搅拌器不同大小及不同倾斜角度对混波室时间平均场分布的影响,为实际设计混波室的搅拌器提供参考。最后给出了与数值分析相一致的实验结果。     

等离激元共振增强多晶硅薄膜太阳电池性能研究

采用磁控溅射方法,在多晶硅薄膜太阳电池表面沉积了不同粒径大小的Au纳米粒子,利用粒径大小可调控的Au纳米粒子的局域表面等离激元共振增强效应(LSPR),对入射光中的可见光区域实现“光俘获”;采用UV-vis吸收光谱对LSPR进行了研究,结果表明,LSPR能够有效拓展Au纳米粒子的光谱响应范围(400～800 nm),并且,随着Au纳米粒子粒径的增大,LSPR共振吸收峰呈现出明显“红移”;同时,通过SERS表征,证实LSPR能够有效增强Au纳米粒子周围的局域电磁场强度;最后,多晶硅太阳电池的J-V特性曲线表明,当Au纳米粒子溅射时间为50 s时,多晶硅太阳电池光电转换效率(η)最高为14.8％,比未修饰Au纳米粒子的电池η提高了42.3％.     

基于表面等离子波耦合的流体波导光栅耦合器

提出了一种由金属光栅和流体光波导结构组成的,基于表面等离子波耦合的光栅耦合器。利用光栅的衍射效应,将金属光栅与介质分界面之间产生的表面等离子波耦合到流体光波导中,并且能够沿着流体光波导稳定地向前传播。通过采用基于有限时域差分算法的FDTD Solutions软件对光栅耦合器进行了参数优化及特性分析,通过优化使该结构在650 nm波长下的耦合效率达到56%。此外,由于该结构对TE偏振光和TM偏振光的选择比达到70∶1,因此具有偏振器的功能。同时由于TE偏振光耦合频谱的频带宽度仅为20 nm,该结构还具有窄带滤波的作用。此外,还研究了光栅结构参数、入射角以及流体折射率对耦合频谱的影响。     

基于双D型光纤表面等离子共振折射率传感研究

以双D型光纤作为传输载体,研究了一种基于表面等离子共振技术的双D型光纤折射率传感器。利用时域有限差分法,分析了双D型光纤剩余包层厚度、金膜厚度、金膜表面粗糙度以及双通道传输对光纤SPR传感器性能的影响。仿真结果表明,当剩余包层厚度为300~500nm、覆盖的金膜厚度为50nm时,双D型光纤SPR传感器的性能得到优化;金膜表面粗糙度也是影响传感器性能的重要因素,当金膜表面粗糙度的均方根值低于2nm或其相关长度大于160nm时,金膜表面粗糙度对传感器性能的影响显著减小,且在折射率为1.33~1.36的传感环境下具有较好的线性度;在双D型光纤两侧覆不同的金属膜,可以实现信号的双通道测量。     

基于反射光强度检测的棱镜SPR传感器

提出一种基于Kretschmann结构的新型棱镜表面等离子体波共振(SPR)传感方法.基于常规SPR角度检测系统,固定入射光角度,检测不同待测液体介质所对应的光强反射率,实现对液体相关性质的检测.通过建立理论模型和数值模拟,考察棱镜基体类型、金属薄膜介电常数和厚度、入射光波长等参数对SPR光强反射率的影响,进而提出耦合系数η用以衡量SPR效应强弱和变化趋势.此检测方法可省去常规角度调制系统中精密角度旋转装置,无需实时调整光探测器接收角度,并可根据需要动态调整检测范围.     

蝶形天线增强的HEMT室温太赫兹探测器

介绍了一种基于GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的高速、高灵敏度室温太赫兹探测器。在太赫兹波辐射下,HEMT源漏端产生直流光电流,并能被栅压灵敏地调控。探测器中新颖的蝶形天线设计使接收到的太赫兹电场得到显著增强,提高了探测器的响应度。通过测量探测器对不同偏振方向的太赫兹光的响应,有效验证了蝶形天线对太赫兹电场的增强作用。室温下,探测器的等效噪声功率约为5×10-10W/Hz21,平均响应度达42mA/W。实验结果表明,光电流的产生与二维电子气沟道的场效应特性和入射太赫兹波电场在电子沟道中的分布密切相关。自混频理论能很好地描述实验结果。     

基于FDTD亚波长金属孔径滤波器仿真分析

通过建立三维金属孔径模型,采用三维时域有限差分法(FDTD),对300～900 nm波段内不同特征参数下的亚波长周期性金属孔径膜的透过率情况进行了仿真分析;运用FDTD solution软件得到了金属膜孔径、周期、厚度及孔径填充介质等参数影响下亚波长周期性金属孔径膜的波长与透过率对应曲线.结果表明,亚波长周期性金属孔径的透射系数随着孔径的增大而增大;随着孔径阵列周期的变大而减小;在金属前、后介质匹配时透射最强,这为制作光学滤波器奠定了基础.     

FDTDSIBC混合方法计算近地导线表面电流

通过在FDTD方法中引进时域表面阻抗界条件来研究瞬态电磁脉冲对有耗地面附近电缆线耦合问题。由频域表面阻抗出发通过拉氏变换得到时域表面阻抗边界条件（SIBC）,并将这种边界条件应用于FDTD方法中来模拟有耗地面的反射。计算结果表明了些方法的有效性。     

用于生物组织电特性重建的探头研究

对适用于分层生物组织电特性重建的宽带同轴贴片探头进行了研究.采用时域有限差分(FDTD)法分析了同轴贴片探头在三层生物组织中的场分布,结合遗传算法(GA)优化了探头的尺寸.优化设计出的圆形同轴贴片探头具有轴对称特点,辐射近场在生物组织中透入深、分布集中,反射系数的频率响应特性好,适用于局部分层生物组织电特性的重建,实验证明探头的设计优化是正确的.     

基于面元模型的FDTD网格及涂敷层网格生成技术

提出了一种基于面元模型的FDTD网格剖分技术和涂敷层网格的生成技术。这种网格剖分技术可以方便地剖分封闭的面元模型和实体模型。针对均匀涂敷复杂模型难以直接产生的问题,提出在FDTD网格模型基础上,生成涂敷网格模型的方法。这种方法很容易得到任意复杂FDTD网格模型的涂敷层网格模型,克服了复杂表面模型和实体模型直接产生涂敷模型的困难。     

基于FDTD方法的光子晶体光纤色散特性分析

基于电磁场时域有限差分法(FDTD)计算光子晶体光纤(PCF)的方法, 分析了运用该方法时需要注意的一些问题, 特别是关于晶格位置、晶格上各个电磁场分量的分布以及完全匹配层(PML)中在边界处的电磁场的处理。以此为理论依据分析了一种纯石英材料双层芯PCF, 对这种光纤的传输特性进行了详细的数值模拟。通过调整光纤的结构参数, 设计出大负色散值的宽带色散补偿光子晶体光纤(DCPCF)。数值模拟结果显示在1530～1565 nm波长范围内其色散值在-400和-600 ps/(km·nm)之间变化, 达到了具有相同有效模面积的普通色散补偿光纤(DCF)的5倍。在整个C波段可以有效补偿长度25倍以上的标准单模光纤(SMF), 其色散剩余量在±1.0 ps/nm·km以内。该种结构的PCF对于制作高增益和宽带色散补偿于一体的集中式光纤放大器具有十分重要的意义。