具有各向异性的梯度颗粒复合材料的有效介电响应

本文研究了具有梯度壳层椭球颗粒复合体系的有效介电响应，在稀释条件下用准静态近似方法, 推导了颗粒壳层具有任意介电梯度形式的椭球颗粒复合体系的有效介电常数和部分共振条件的一般表达式。并以壳层的介电常数为主轴的幂函数形式为例，得出了通过调节壳层的介电梯度形式、颗粒的结构和形状,可以提高该体系的有效介电常数和实现部分共振的结论。     

基于双层金属开口环谐振器结构的U波段左手材料

基于左手介质的传输线理论,经过估算尺寸后设计出相应的结构并仿真得到散射参量,然后利用Smith的参量提取方法提取有效介电常量、有效磁导率和折射率,对一种双层金属开口环谐振器结构的U波段左手材料的传输特性和电磁参量特性进行分析.数值仿真结果表明,该结构在48.8～59.9GHz频带内有效介电常量和有效磁导率均为负值,同时在该频率范围内具有负折射特性,从而证实了该结构在U波段的左手特性,对左手介质在更高波段的研究具有一定的参考意义.     

基于双层金属开口环谐振器结构的U波段左手材料

基于左手介质的传输线理论,经过估算尺寸后设计出相应的结构并仿真得到散射参量,然后利用Smith的参量提取方法提取有效介电常量、有效磁导率和折射率,对一种双层金属开口环谐振器结构的U波段左手材料的传输特性和电磁参量特性进行分析.数值仿真结果表明,该结构在48.8～59.9 GHz频带内有效介电常量和有效磁导率均为负值,同时在该频率范围内具有负折射特性,从而证实了该结构在U波段的左手特性,对左手介质在更高波段的研究具有一定的参考意义.     

光学复合体系中有效介质理论的适用条件

以纳米晶掺杂复合体系为例，研究该类多组分光学材料的有效介电系数随复合体系结构和组分介电系数的变化，进而分析有效介质理论的适用条件。假定纳米晶被周期性掺杂到背景晶体中，且均为各向同性材料。借助转移矩阵理论研究发现，当纳米晶和背景晶体的介电系数相差较大时，有效介电系数会表现出波长依赖性。此外，发现复合体系在其光学能隙处没有有效介电系数，说明此时基于等效介质思想的有效介质理论均不适合描述复合体系的光学性质，这是因为在物理上均一的光学材料无法形成光学能隙。     

石墨烯基双曲色散特异材料的负折射与体等离子体性质

基于有效介质理论研究了石墨烯/介质周期结构的电磁性质, 研究发现这种复合结构的等频面在太赫兹和远红外波段为双曲线, 可用来实现石墨烯基双曲色散特异材料. 通过改变石墨烯的费米能级、介质层厚度和单元结构中石墨烯的层数, 可很容易地调节双曲色散存在的频段. 由于等频面的双曲色散特性, 石墨烯基双曲色散特异材料在远低于截止频率的范围内, 对斜入射的电磁波具有负的能量折射率和正的相位折射率, 并支持局域体等离子体模式. 基于衰减全反射结构, 研究了体等离子体的激发, 探索了体等离子体在可调的光学反射调制器中的应用.     

C20离子团簇在氧化物中穿行时库仑爆炸过程的理论研究

研究了C20团簇在几种金属氧化物(Al2O3,SiO2)中穿行时发生的库仑爆炸过程.采用线性介电响应理论,并结合Mermin形式的介电函数,得到了团簇中各组成离子的空间感应势,其中组成团簇中各组成离子的电荷分布情况由Brandt-Kitagawa有效电荷理论模型来描述.通过求解运动方程得到离子团结构随时间的演化过程,并采用Monte Carlo方法模拟了爆炸过程中的多重散射现象.我们发现,尾流效应使团簇的空间结构和电荷分布呈现非对称性.     

对称纳米棒三聚体结构的Fano共振特性研究

利用时域有限差分方法,理论研究了由中间短棒和两侧长棒构成的对称金纳米棒三聚体结构的光学性质,分析了结构参数和介电环境对其Fano共振特性的影响.结果表明:随着中间短棒长度、三棒整体尺寸或短棒两侧介质折射率的减小,Fano共振谷蓝移;棒间距的增大同样导致Fano共振谷蓝移,但边棒长度的变化对Fano共振谷位的影响较小;同时,随着纳米结构参数或介电环境的变化,Fano共振谷两侧共振峰强度发生改变,共振对比度先增大后减小.通过比较纳米结构截面的电磁场和电流密度矢量分布发现,共振谷两侧光谱强度的变化源于结构参数或介电环境引起的等离激元共振模式的改变.研究结果对基于Fano共振可控的纳米结构设计有一定的参考意义.     

梯度颗粒复合介质的光学双稳

重点研究了组分的梯度构形对带壳球形颗粒复合介质的光学双稳特性的影响.其中球形颗粒是由非线性核和介电函数具有梯度分布的线性壳组成.对于壳层介电函数具有幂指数分布的情况,通过求解麦克斯韦方程,得到各区域的势能分布函数,从而求得核内电场的数学表达式.数值研究发现,该复合介质的光学双稳阈值和区域与壳层的厚度及壳层的介电幂指数有关,随着壳层厚度增大或幂指数增大,双稳阈值将变宽.此外,还研究了正入射情况下复合材料体系的反射系数随外电场的变化情况, 发现其关系曲线是一条回线. 关键词： 梯度颗粒 复合介质 光学双稳     

C20离子团簇在氧化物中穿行时库仑爆炸过程的理论研究

本文研究了C20团簇在几种金属氧化物(Al2O3,SiO2)中穿行时发生的库仑爆炸过程.采用线性介电响应理论,并结合Mermin形式的介电函数,得到了团簇中各组成离子的空间感应势,其中组成团簇中各组成离子的电荷分布情况由Brandt-Kitagawa有效电荷理论模型来描述.通过求解运动方程得到离子团结构随时间的演化过程,并采用Monte Carlo方法模拟了爆炸过程中的多重散射现象.我们发现,尾流效应使团簇的空间结构和电荷分布呈现非对称性.     

一种计算和分析二维光子晶体缺陷模式的方法

通过改进时域有限差分(FDTD)法,计算和分析了二维光子晶体的缺陷模式。运用一维时域有限差分算法和线性插值法在总场散射场(TF-SF)连接边界引入入射平面波,采用完全匹配层(PML)技术对外行波进行了有效吸收。计算和分析结果表明,在光子晶体非对称方向入射的平面波能激发所有的缺陷模式,选取合适的探测点位置收集电场值,经快速傅里叶变换(FFT)能得到所有的共振峰值。另外,采用该方法研究了二维正方介质柱光子晶体缺陷模的共振频率与缺陷介质柱半径和介电常量之间的关系。结果表明通过改变缺陷的半径和介电常量大小可以在光子晶体禁带中一定的范围内调节缺陷模式的共振频率大小。     

用于中红外波深度亚波长传输的石墨烯间隙等离激元波导

提出一种由石墨烯包裹的纳米线和石墨烯层构成的石墨烯间隙波导结构,并采用有限元方法对基模传输特性及其与结构参数、材料参数等的关系进行了详细研究。结果表明:纳米线半径、间隙距离、纳米线介电常数和石墨烯化学势均对模式传输特性有很大影响。通过优化参数,这种结构可以同时实现石墨烯等离激元的长距离传输和模场的深度亚波长约束。采用石墨烯等离激元实现中红外波的深亚波长传输为突破衍射极限光子器件的设计及高密度集成提供了理论基础和指导。     

平面复合金属微纳结构的圆二色性研究

圆二色性效应在圆偏振器、光调制器及光电器件等方面具有广泛的应用.为提高平面金属微纳结构的圆二色性,本文设计了由无限长纳米线和G形微纳结构组成的平面复合金属微纳结构,并应用有限元方法研究了该阵列微纳结构的圆二色性特性.数值计算结果显示,在圆偏振光的激发下,G形微纳结构和平面复合金属微纳结构均出现了电偶极子、电四极子和电八极子等共振模式.当G形微纳结构与无限长纳米线连接时,各共振波长均发生红移,并且无限长纳米线增加了不同圆偏振光激发下的局域表面等离激元共振强度,从而使得平面复合微纳结构的圆二色性信号明显增强.此外,还研究了平面复合微纳结构阵列的几何参数对其圆二色性特性的影响.这些结果为提高平面手性微纳结构的圆二色性信号强度提供一定的指导思路和方法.     

涂覆石墨烯的嵌套偏心空心圆柱的椭圆形电介质波导的模式特性

设计了一种涂覆石墨烯的嵌套偏心空心圆柱的椭圆形电介质纳米线波导.采用多极方法得到了波导所支持的最低阶的3个模式的传输特性,即场分布、有效折射率的实部、传播长度和品质因数.结果显示:最低阶的3个模式都可由涂覆石墨烯的单根圆柱和椭圆柱所支持的最低阶模式合成.通过改变波导的结构参数,即圆柱的半径、椭圆柱半长轴、椭圆柱半短轴及两柱之间的最小间距,可以在一定程度上调节模式的传输性能.然而通过增大工作波长、费米能以及减小椭圆形电介质纳米线的介电常数,可以明显改善模式的传输性能.文中还与涂覆石墨烯的嵌套偏心空心圆柱的圆形电介质纳米线波导进行比较,可以发现本文所设计的波导具有更优的传输性能.这些结果都得到了有限元方法的验证.本文设计的波导可以为涂覆石墨烯的嵌套偏心空心圆柱的椭圆形电介质纳米线波导的设计、制作及应用提供理论基础.     

可调谐交叉领结形石墨烯阵列结构等离子体折射率传感器

设计一种新颖的交叉领结形石墨烯阵列结构等离子体折射率传感器。利用石墨烯与电介质交界面产生的表面等离子体效应,在中红外波段获得双共振透射现象,结合石墨烯的电可调特性来实现透射谱的动态调制,采用时域有限差分法研究该结构中石墨烯的化学势、层数及几何参数对双共振透射现象的影响。结果表明:通过改变石墨烯的化学势及层数能够实现共振位置的调谐;优化结构参数后,该结构具有较好的传感性能和双共振透射现象,2个共振谷的灵敏度分别高达(1280±24) nm/RIU和(2800±49) nm/RIU,品质因数分别为17.1 RIU~(-1)和12.3 RIU~(-1)。研究结果为石墨烯等离子体生物传感器的设计提供了理论依据。     

介质球的各向异性瑞利散射

基于电磁场的多尺度理论,研究了各向异性介质球内、外电场的规律,导出了各向异性目标散射场的表达式,得到了各向异性介质目标散射振幅、散射截面等的解析表达式,并对其正确性进行了检验.仿真结果表明:各向异性介质球的散射具有偶极辐射的特点,介电常量越大,产生的偶极矩也愈大,散射也越强.其结果可为各向异性目标监测、各向异性光散射研究等提供理论支持.     

纳米线阵列横向输运的热电特性研究

利用包络函数的平面波展开法计算准二维纳米线阵列中的电子态,获得电输运系数表达式.同时,通过合理近似考虑边界散射对声子输运的影响,计算得到了晶格热导率.以Si/Ge体系为例,研究了纳米线阵列横向输运的热电特性.结果表明：结构优值与费米能级、纳米线直径及间距等参数相关.通过对结构参数的调整,纳米线阵列的横向输运可有效提高热电性能. 关键词： 热电性能 纳米线阵列 Seebeck系数 晶格热导率     

介质光栅/金属薄膜与银立方体复合结构的SPs研究

理论设计了介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构,通过有限元方法数值模拟计算了该结构中的超高电场增强因子.使用442nm波长的激光作为表面等离子体的激发光源,研究不同尺寸银纳米立方体的消光谱以及不同光栅周期和厚度的反射光谱,得到的该复合结构的最优参数为:光栅周期312nm,厚度90nm,银纳米立方体70nm.在最优参数条件下,数值模拟了复合结构中的电场增强分布,介质光栅/金属薄膜与银纳米立方体复合结构由于存在局域表面等离子体和传播表面等离子体的共振耦合,使得光栅脊与银纳米立方体下顶点接触处热点的电场增强因子高达1.53×106.该复合结构产生的超高电场增强因子,有望应用于表面增强拉曼散射的研究.     

绝缘颗粒液体主体基质复合介质的非线性光学性质

利用Maxwell-Garnett近似，并结合谱表示方法，理论研究了具有一般非线性的绝缘颗粒，无规则浸入液体主体基质复合体系的非线性光学性质-在弱非线性条件下，数值研究了体系的有效线性介电函数和光学非线性随体积分数的变化，并发现体系的线性介电函数比光学非线性更依赖于绝缘颗粒组分的体积分数-在一般非线性条件下，研究体系的有效介电函数随入射光强度的依赖关系，还研究了s方向和p方向极化的总反射率的行为- 关键词： 复合介质 谱表示 非线性光学性质     

表面共振圆环结构对Si纳米线热传导的调控

利用声子的波动性,在纳米线表面引入共振结构,可以有效阻碍声子输运.为进一步优化共振结构,本文基于平衡态分子动力学(EMD)方法,研究表面共振圆环结构的高度和宽度对Si纳米线热输运性质的影响.结果表明：随着共振圆环高度的增加,Si纳米线的热导率逐渐减小,最大减幅可达61.9%.当高度达到2nm以后,热导率基本不再变化.共振圆环宽度则对热导率的影响较小.声子色散关系中出现的平带,证实了共振圆环引起的声子共振效应;最低共振频率的变化说明了共振圆环中的声子波长决定了共振圆环高度对纳米线热导率的最大影响程度.研究进一步发现,随着共振圆环高度的增加,声学支声子对热导率贡献的比重变小.本文研究结果对高效热电材料和隔热材料的微纳结构设计提供了一种新的思路.     

基于金属-介质纳米结构磁激元效应的石墨烯增强吸收研究

石墨烯作为一种单层碳原子厚度的二维材料,其在可见光和近红外波段的吸收率只有2.3%。这大大限制了其在太阳能电池、光电探测等领域的应用。本文提出一种金属-介质组成的周期纳米结构,利用纳米结构中激发的磁激元共振(Magentic Polaritons,"MP")效应,实现了石墨烯在近红外波段的吸收增强。利用有限元法的理论仿真,系统研究了纳米结构参数对石墨烯吸收特性的影响。结果表明,在特定结构参数下,能使石墨烯的吸收率增大16倍左右。利用Inductor-Capacitor(LC)电路模型成功解释了石墨烯的吸收增强的物理机制,预测了复合系统的磁激元共振峰波长,发现石墨烯的存在不影响磁激元共振峰的位置。文中提出的纳米结构在加工上易于实现,研究结果将在基于石墨烯的新型光电子器件的设计和实现方面有潜在应用价值。