吸收性海水中气泡光散射特性的理论研究

 给出了一种适合于吸收性介质内粒子散射的Mie级数新的表示形式。利用Mie理论研究了吸收性海水中气泡的单散射特性和气泡群的相位函数。与非吸收性海水中气泡的光散射特性相比，分析了海水折射率虚部对气泡光散射的影响。结果表明：180°后向散射的增强是气泡固有的光学性质，与所处介质无关，可以利用后向散射的增强来探测气泡。     

金银核壳结构复合纳米颗粒的消光特性研究

利用离散偶极近似(Discrete Dipole Approximation-DDA)算法,从理论上模拟分析了金银核壳结构复合纳米颗粒的消光光谱以及不同核壳厚度、不同介质折射率情况下峰位的变化情况。研究结果表明,随着壳层厚度的增加,复合纳米颗粒的消光谱线先逐渐形成两个与单质金属纳米颗粒相似的消光峰,后又逐渐合为一个半峰宽度较宽的消光峰;在不同介质环境中复合纳米颗粒的消光峰都随着介电常数的增大出现红移;无论是作为核层还是壳层,银对总体消光谱线的作用都要比金强。     

利用Ag@SiO_2纳米粒子等离子体共振增强发光二极管辐射功率的数值研究

金属纳米粒子利用其局域表面等离子体共振效应(LSPR),可以增强附近荧光分子的自发辐射速率,因而在光学传感、光电器件等领域中具有潜在的应用价值.金属纳米粒子的LSPR与其自身的材料、形状、尺寸以及周围环境介质密切相关,这影响着纳米粒子在具体器件中的应用.本文利用三维时域有限差分法,研究了相同体积的球形、椭球形、立方形与三棱柱形银纳米粒子对薄膜发光二极管辐射功率的影响;计算了不同形状银纳米粒子对偶极子光源辐射功率和薄膜器件光出射强度的增强,并结合LSPR效应讨论了辐射功率变化的物理机理.研究结果表明:银纳米粒子自身形状尖锐程度的增加有利于提高LSPR的共振强度;同时纳米粒子的形状影响了LSPR共振电场与薄膜器件中偶极子辐射电场之间的耦合作用,其中立方形纳米粒子因为能实现最强的耦合作用而对器件的辐射功率增强最大.在此基础上进一步讨论了不同薄膜材料对LSPR共振及光源辐射功率的影响,发现较高的材料折射率有利于增强金属纳米粒子的LSPR与器件的耦合作用,从而改善发光二极管性能.     

含Ag/Al_2O_3球壳颗粒水基复合介质辐射吸收分析

基于吸收性基体介质中球形颗粒的电磁理论,建立含纳米颗粒水基复合介质的FDTD模型,比较了电磁理论解析解和FDTD模型的数值解;在此基础上,基于FDTD方法模拟了含纳米Ag/Al_2O_3球壳颗粒水基复合介质的辐射吸收特性,分析颗粒结构尺寸、颗粒间距对颗粒以及基体介质辐射吸收特性的影响规律。结果表明,核心Ag纳米颗粒能够增强其周围介质的辐射吸收特性,核心Ag纳米颗粒的尺寸越小,该辐射吸收增强效应越明显,核壳颗粒的间距也会对颗粒以及基体介质的辐射吸收特性产生影响。     

多通道局域表面等离子体共振分析装置构建及实验研究

构建了一套由宽带光源、多通道精确定位机构及光纤光谱仪等组成的光学局域表面等离子体共振(LSPR)分析装置。采用Savitzky-Golay平滑算法对原始光谱数据进行预处理并建立拟合曲线,研究了粒径为5.0,13.5,25.5,41.0 nm的球形金纳米粒子(AuNPs)LSPR波长在不同折射率介质环境下的响应。结果表明:在相同的介质环境下,LSPR波长与粒径具有较好的正相关性,且共振波长与环境介质的折射率密切相关;对于粒径为25.5 nm和41.0 nm的AuNPs,得到的折射率灵敏度分别为59.46 nm/RIU和70.38 nm/RIU。该装置将多通道定位机构与光纤光谱仪相结合,光谱信号的获取无需进行冗长的波长扫描过程,为开展LSPR研究提供了一种低成本、快速的光学检测系统。     

不同介质里Gd2O3∶Eu3+纳米晶中Eu3+的自发辐射

对不同介质包围的Gd2O3∶Eu3 纳米颗粒的发光性质进行了研究。从发射光谱观察到Eu3 的4f组态内跃迁峰位受周围介质的影响不大。Gd2O3纳米颗粒中Eu3 的5D0的自发发射寿命受周围介质的局域场影响很大,主要与介质的有效折射率和纳米颗粒的填充率有关。有两种模型可以描述自发辐射寿命与周围介质的相互作用:Onsanger-实腔模型与Lorentz虚腔模型。本实验结果表明,实腔模型比较合理,而虚腔模型与实验数据偏差较大。     

Ag/Si核壳结构纳米颗粒粒子系的吸收特性研究

当电子振动频率与入射光的频率相同时,部分金属纳米颗粒可以在其表面激发局部表面等离子共振效应(LSPR),该波长下颗粒的吸收增强。这种效应也被应用于增强拉曼光谱信号的强度。本文研究了以Ag为外壳材料、Si为内核的核壳结构纳米颗粒粒子系的吸收特性。采用时域有限差分方法求解了颗粒随机分布粒子系的吸收率,分析了颗粒体积分数、内核外壳尺寸、椭球化等因素对粒子系吸收特性的影响以及对吸收峰的调控作用。     

激活材料对镜像对称一维光子晶体透射谱的影响

利用传输矩阵法理论,研究了激活杂质材料对镜像对称结构一维光子晶体（ABCB）m（BCBA）m的透射谱的影响。结果表明：当介质无掺入激活杂质,即介质的介电常量为一实数时,禁带中心出现一条透射率为100%的透射峰;当在镜像对称结构的任一介质中掺入激活杂质,即介质的介电常数为一带有负虚部的复数时,透射峰的透射率均出现增益现象,且随着各介质复介电虚部大小的增大,透射增益出现一极大值后又减小;各介质复介电虚部大小的变化对光子晶体透射谱的影响存在各异,其中介质A掺入激活杂质时增益幅度最大,其次为C,B相对较小,但透射率的增益对B介质的复介电虚部响应最为灵敏,其次为C,A相对较为迟钝。这些特性对新型光学器件的设计具有指导意义。     

不同介质里Gd2O3：Eu^3＋纳米晶中Eu^3＋的自发辐射

对不同介质包围的Gd2O3：Eu^3＋纳米颗粒的发光性质进行了研究。从发射光谱观察到Eu^3＋的4f组态内跃迁峰位受周围介质的影响不大。Gd2O3纳米颗粒中Eu^3＋的^5D0的自发发射寿命受周围介质的局域场影响很大,主要与介质的有效折射率和纳米颗粒的填充率有关。有两种模型可以描述自发辐射寿命与周围介质的相互作用：Onsanger-实腔模型与Lorentz虚腔模型。本实验结果表明,实腔模型比较合理,而虚腔模型与实验数据偏差较大。     

单芯帽纳米颗粒的光学性质

基于三维时域有限差分法,计算了非球对称单芯帽纳米颗粒在不同结构参数作用下的局域表面等离子体共振(LSPR)响应。采用模板法和真空蒸镀技术制备了SiO_2@Au芯帽结构纳米颗粒,通过透射电子显微镜和紫外可见近红外分光光度计对其形貌和光学性质进行了测量分析,获得了金壳厚度、芯壳比、芯径和金属表面覆盖率等纳米结构参数对LSPR峰值吸收波长和吸收截面的影响规律。结果表明,芯帽纳米颗粒结构参数的微小改变会导致LSPR峰在可见光到近红外波段的宽带红移。     

基于荧光光谱技术的大肠杆菌活性及灭菌效应研究

在食品和环境监测中,大肠杆菌是一个重要指标细菌,因此,对大肠杆菌的监测和灭菌效果也引起了人们广泛的关注。基于荧光光谱检测技术具有的灵敏度高、速度快、稳定性强等优点,利用荧光光谱技术研究了大肠杆菌的发射峰强度与大肠杆菌浓度的内在变化规律,得到了一种更加方便、快捷、监测浓度更低的大肠杆菌计数方法。采用289 nm的激发光照射大肠杆菌水溶液,得到大肠杆菌的荧光发射光谱;改变大肠杆菌溶液的浓度,得到不同浓度大肠杆菌溶液的荧光光谱,并分析大肠杆菌特征峰强度与大肠杆菌浓度的关系。在此基础上,利用荧光光谱技术研究了银纳米颗粒对大肠杆菌荧光发射的影响,分析了银纳米颗粒对大肠杆菌的灭菌效果,结果表明：(1)当289 nm的激发光照射大肠杆菌水溶液时,大肠杆菌分别在332和425 nm两处有明显的荧光特征峰;荧光特征峰强度随着大肠杆菌浓度降低而降低;当大肠杆菌浓度小于20%时,332和425 nm处特征峰强度与大肠杆菌溶液的浓度均呈线性关系。(2)当大肠杆菌水溶液中加入银纳米颗粒时,在4个小时内,银纳米颗粒的作用时间越长,大肠杆菌的荧光特征峰越弱,即灭菌率越高;增加银纳米颗粒的浓度或者提高环境温度,均可提高银纳米颗粒对大肠杆菌的灭菌率。本文的研究结果对食品、环境等中大肠杆菌的计数和灭菌研究有参考意义。     

吸收介质中微椭球体颗粒光学参数的研究

本文应用Eikonal近似将微椭球用其等效的球来近似, 结合Mie理论对吸收介质中微椭球体颗粒光学参数进行了数值计算。 结果表明, 椭球位置变化时, 散射和吸收性能发生变化。离心率增大时, 散射和吸收系数都增大, 离心率越大增大的越明显。波长增大时, 在紫光波长为0.4 μm和近红外区波长为1.58 μm处散射系数出现了峰值, 而吸收系数单调增大。相对折射率实部以及虚部变化对光学参数均有影响, 颗粒的吸收性越强, 散射相应地减弱。结果表明这种数值解析方法能有效地计算椭球体颗粒的光学参数。     

单一金纳米棒的光学及折射率传感特性研究

基于贵金属纳米粒子在折射率传感及探测中的应用,本文运用离散偶极近似,模拟计算了单一金纳米棒的远场消光光谱,研究了其偶极局域表面等离子体共振波长的可调性及折射率的传感特性。研究表明,通过调控金纳米棒的长径比,纳米棒的局域表面等离子体共振波长在可见至近红外波长范围内广泛可调;在可见与近红外波长范围内,该共振波长及对应的折射率灵敏度对纳米棒长径比的响应皆分别呈现出二次与线性的分段特征。此外,利用金介电函数虚部随入射光波长的变化关系,揭示了金纳米棒表面等离子体所对应的半高宽随该共振波长的变化规律;并利用长径比对金纳米棒的品质因子进行了优化,得到了优化的长径比。本文的研究结果对未来设计和制造性能优异的基于局域表面等离子体共振的传感/探测基底和元器件具有重要的理论指导意义。     

金银三层纳米管局域表面等离激元共振特性研究

相对于单一金属纳米材料,二金属复合纳米材料具有更大的潜在应用价值.基于时域有限差分方法,研究了SiO₂-Ag-Au和SiO₂-Au-Ag二金属三层纳米管的消光光谱,并对其局域表面等离激元共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)特性进行了分析.研究发现,内核尺寸变大将导致上述两种金属纳米管LSPR峰红移;内层金属及外层金属壳层厚度增大均会导致其LSPR峰蓝移.银壳厚度变化对纳米管LSPR的调制作用大于金壳厚度变化造成的影响.上述现象可以利用等离激元杂化理论及自由电子和振荡电子变化的竞争机制进行分析.     

基于金纳米粒子的光谱分析法进行单细胞探测

在过去的几十年中,等离子纳米粒子,尤其是金纳米粒子(AuNPs),由于其独特的局部表面等离子体共振(LSPR)特性,金纳米颗粒非常适合高度传导定域在表面的化学或物理刺激产生的光信号,已被广泛应用于生物检测与成像。包括单细胞光谱分析与成像。基于光吸收和弹性光学方法散射,阐述了利用光谱方法进行的单细胞光学探测的进展应用和纳米系统表现出新的特性。论述了基于AuNPs的细胞内环境光谱分析与探测,对在单细胞水平上进行的细胞动态实时测量的基本原则和与光互动独特的相关方法进行了描述。重点放在单细胞光谱检测的原则、方法及这些方法的优点和挑战,并阐述了最近在这一领域的研究进展,内容包括细胞和亚细胞环境的探测、细胞应答诱导细胞凋亡过程探测、生物分子识别和量化、药物传递及释放、癌症诊断及治疗等。给出了未来的挑战和努力方向。     

金属纳米颗粒光学性质的离散偶极近似计算

采用离散偶极子近似(DDA)方法,研究了单体银纳米粒子和银纳米粒子阵列的光谱特性。研究结果发现,单体银纳米粒子的表面等离子体共振消光峰的位置随着周围介质折射率和粒子尺寸的增大逐渐红移,并且消光光谱的峰宽也越来越大。当银纳米粒子正方阵列的周期接近单体的共振波长时,阵列的消光光谱中会出现尖锐的共振峰,改变粒子尺寸的大小可以发现消光光谱中共振峰的峰值和位置有大幅度地改变,通过改变阵列在平行和垂直于入射光偏振方向上的周期,可以调节二维长方阵列共振峰的峰宽和峰位。该研究为纳米粒子在光学显微镜、生物传感元件、数据存储等领域中的应用提供有效地理论参考。     

金-银复合纳米颗粒的去极化光谱特性理论研究

对金银复合纳米颗粒的去极化光谱进行了理论计算和研究。研究结果表明:金银复合纳米颗粒去极化光谱具有单峰的特征。在不同能量光照下,其介电常数是不同的,所以其去极化光谱也是变化的,然而其峰值总是介于纯金和纯银纳米颗粒去极化峰值之间,并且随着金银复合纳米颗粒中银体积分数的增加,去极化峰位于449~268nm附近,即近乎线性蓝移,峰形为高斯型,半高宽在514~324nm范围内近乎线性的减小。这说明可以通过控制入射光的能量和金银的组分来可控的改变金-银复合纳米颗粒的去极化光谱。     

双对称性破缺Au-TiO_2-Ag三层纳米杯的LSPR特性研究

设计了一种双对称性破缺Au-TiO_2-Ag三层纳米杯结构,采用有限元方法分析了其局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)特性,并采用等离激元杂化理论对LSPR现象进行理论分析。分别仿真了入射光偏振态、核壳结构参数和外界介质折射率对Au-TiO_2-Ag三层纳米杯消光光谱的影响。研究结果表明,当入射光偏振方向垂直于对称轴方向时,可将反对称横向耦合模式ω-⊥〉1的共振峰波长调谐至近红外区域1100nm附近,同时该模式共振波长随外界介质折射率的增大产生红移,这一特性可在生物传感领域得到广泛的应用。     

蓝光发射多孔硅RTO过程中的尺寸分离效应

对用水热腐蚀技术制备的、具有蓝光发射的多孔硅样品在快速热氧化(RTO)处理前后其光致发光谱、硅纳米颗粒的大小及尺寸分布变化进行了研究.实验发现,新鲜多孔硅样品经过RTO处理后,其光致发光谱整体蓝移并由单发光峰分裂为两个发光峰;与此对应,样品中的硅纳米颗粒在整体减小的同时出现尺寸分离现象.这一结果表明,多孔硅中的短波长发射也具有强烈的尺寸相关性. 关键词：     

单金纳米棒远场散射光谱技术

单金纳米棒(gold nanorod AuNR)的远场光学技术在近几年引起了相当大的关注。由于金纳米棒(AuNRs)独特的局部表面等离子体共振(localized surface plasmon resonance LSPR)特性,金纳米棒颗粒非常适合高度传导定域在表面的化学或物理刺激产生的光信号。根据该课题组的研究经验,对AuNR的光学探测和光谱学方法的原理、应用、进展和纳米系统表现出新奇的光学特性进行了综述。较为全面地介绍了：(1)AuNR散射光谱相关的各类技术,包括：暗场技术,零差和外差技术,光子晶体技术,空间调制和偏振调制技术等;(2)AuNR散射光谱特性,包括：光谱线形函数,线宽,衬底对光谱的影响以及理论和实验光谱的对比等;(3)相关光谱技术近年来的发展。重点研究了基于LSPR的远场光学散射方法。主要是基于AuNR线性的方法,如直接和间接的散射检测方法。注重强调了介质环境(如底物,表面结合的分子或其他纳米材料等)的重要性以及对散射光谱和消光幅度的影响。特别注重的是AuNR表面及形貌的定量方法及其相关性研究,无论是直接的还是间接的散射的方法,大都给出实验与理论模型精确的比较。这些实验和理论工具的结合可以详细解释单金纳米棒的光学性质。