基于DDA的金属纳米颗粒光学特性及微操控研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:luckchenhu
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在1980年左右,Ashkin等人使用高度聚焦的激光束作为一种捕获和操纵微观介质颗粒的方法,首次实现了“光镊”。光与微观物体进行动量交换所致的“光力”现象从此获得广泛的研究与应用。尤其是近十年来随着微纳光子学的快速发展,对光力的研究变得越来越重要。然而,一直以来,光力的计算在效率、精度、颗粒体系等方面都受到种种制约。为了准确和快速地计算光力,本论文采用了离散偶极子近似(Discrete DipoleApproximation,DDA)的方法得到电磁场,再利用洛伦兹力(Lorentz Force,LF)求和与利用对麦克斯韦张量(Maxwell Stress Tensor,MST)做闭合曲面积分的两种方法获得光力。这两种方法可适用于任意入射光场下任意形状纳米微粒光力的计算。与基于Mie散射的结果进行比较表明我们采用的两种方法(DDA-LF)和(DDA-MST)是正确的并且计算精度是较高。基于以上光力计算工具,我们对三维表面等离子体纳米方块(PlasmonicNanocube)二聚体的光力进行了全波计算。系统研究表明固定二聚体的表面距离,对其中一个或者两个Nanocube进行旋转会导致二聚体的总散射力和光绑定力(Optical Binding Force, OBF)发生很大的变化,我们认为二聚体之间的有效距离和近电场分布情况是导致光力变化的决定因素。进一步分析表明,OBF主要是由散射过程决定的而入射光传播方向的散射力则是由散射和吸收过程共同决定的。这些结果对基于Nanocube的可控光学超构平面(Metasurface)的制备及调制具有一定指导意义。此外,由于光力谱可以和散射谱及消光谱一样都可以看作是颗粒体系的基本特性,只是前者与近场增强联系更紧密。通过系统的比较等离子体共振的远场和近场特性,我们发现金质球形颗粒的各类谱(光力谱、散射谱、及消光谱等),共振峰位会有一定的偏移,并且粒子的尺寸越大它们之间的偏移就会越明显,可归因于光场的迟滞效应(Retardation Effect)。利用在阻尼和外力驱动下的简谐共振的物理模型可以对这种偏移进行解释,近场和远场之间的偏差的强度直接取决与系统所受到的总的阻尼,它包括金属离子自身内部的吸收阻尼和由于等离子体共振引起的辐射阻尼。更进一步的,我们也计算金质纳米棒的近场和远场的峰位移动,来观察它的形状和极化方式如何影响其光学响应。考虑这些谱峰的差异会有助于理解和优化表面增强谱相关应用。
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