三维时域有限差分法计算金纳米粒子尺寸与SERS活性的关联

通过合成一系列不同粒径(16～160 nm)的金纳米粒子.观察到120～135 nm的金纳米粒子在632.8nm波长激发下具有最高的SERS活性,这与前人报道的电磁场理论及实验的结果不同.利用三维时域有限差分法对金纳米粒子的SERS活性与其尺寸以及入射光波长的关系进行模拟计算.在632.8 nm激发线下,金纳米粒子二聚体体系在粒径为110 nm左右具有最佳增强效应,其光电场耦合最强的热点处的增强因子高达109考虑到体系的平均SERS增强因子通常会比最大值低约2个数量级,计算得到的107的增强因子与实验测量值相符.同时对目前实验上尚难以合成的大尺寸的金纳米粒子进行模拟,结果表明受多极矩和大尺寸效应的影响在粒径220 nm时又出现SERS增强另一峰值.在325 nm的紫外激发线下,计算得到的增强因子仅为102.     

利用时域有限差分法模拟介质纳米波导的导波特性

利用时域有限差分法模拟介质纳米波导的导波性质,研究了不同结构波导中的光传输特性.结果表明,通过设计合适的纳米波导结构,可以达到纳米尺度下导波和滤波的目的.     

二维微纳米结构表面反射特性的时域有限差分法模拟研究

亚波长微纳米结构表面具有优良的抗反射特性,本文以硅基太阳能电池响应光谱的300~1200nm为应用基础,利用时域有限差分法计算了表面面形、结构参量的占空比、高度和周期以及光波入射角等对二维微纳米结构表面反射特性的影响,并结合等效介质理论进行了进一步理论分析,结果表明:等截面光栅结构的反射率较大,结构参量影响也较小;锥形渐变截面光栅结构的抗反射性能较好,且反射率随着占空比、结构高度的增大而显著下降;同时,光波在光栅法线的±40°范围内入射时,反射率均较小.通过对亚波长微纳米光栅结构的反射特性的模拟和分析,为抗反射表面的设计和制作提供了基础.     

基于时域有限差分法的液晶光学特性模拟

研究了模拟光在液晶中传播的时域有限差分(FDTD)法。该方法采用完全匹配层吸收边界条件来截断计算区域,通过独立计算总场区域与散射场区域的左连接边界和右连接边界上的入射场场值来实现非周期结构的平面波波源引入,并提出了分裂场一维辅助FDTD方法来计算含有非均匀各向异性介质的边界上的入射场场值。实现了平面波源入射下具有非周期结构的液晶器件光学特性计算。对开态下扭曲向列相液晶盒的仿真结果表明,30°入射时散射区透射率的最大泄漏误差小于3%,可知该方法对非周期、非均匀各向异性介质光学特性分析是有效的。     

基于时域有限差分法的Au纳米天线增强消光特性研究

利用时域有限差分法研究了Au纳米天线对GaSb纳米线的消光增强.通过分析不同形状Au纳米阵列的电场特性和光学特性,发现三角形为最优结构,并具有高强度共振吸收峰和高的电场增强倍数.分别对三角形尺寸和纳米线的间距进行调节,结果表明：随着尺寸由70nm增加到210nm,消光峰位从783nm单调增加到1638nm,峰位强度和电场增强倍数逐渐增加,尺寸为210nm时的增强倍数为70nm时的6倍;随着间距由80nm增加到130nm,消光峰位从1655nm减小到1460nm,峰位强度和电场增强倍数略微减小.因此可通过先调节间距再调节尺寸的方法来设计Au纳米天线结构.     

金纳米棒复合体的消光特性

金属纳米颗粒局域表面等离激元共振时能够产生消光和近场增强效应已经成为国内外研究的热点. 应用时域有限差分法对L形纳米棒与普通纳米棒构成的金纳米棒复合体的消光光谱及其近场增强和电流矢量密度分布进行了研究. 计算结果表明, 普通纳米棒和L形纳米棒二聚体的光谱响应与纳米棒间的间距有关, 而金纳米棒复合体的消光光谱可通过调整L形纳米棒与普通纳米棒间的间距、L形纳米棒的臂长度以及普通纳米棒的长度进行调谐. 此外金纳米棒复合体可以分解成L形纳米棒二聚体和普通纳米棒二聚体两个部分, 通过分别改变L形纳米棒的臂长和普通纳米棒的长度, 对比L形纳米棒二聚体和普通纳米棒二聚体间的共振峰位置变化, 可以更直观地了解金纳米棒复合体消光光谱线型的变化. 这些结果可用于指导金纳米棒复合体纳米光子器件的设计, 以满足其在表面增强拉曼散射和生物传感等方面应用.     

时域有限差分法中电磁场的吸收边界条件

吸收边界条件在时域有限差分法计算电磁场中有着广泛的应用,从吸收边界所要满足的条件出发,将Lindman吸收边界条件推广,得到了便于计算的简化形式.两维数值模拟结果表明:以各种角度向左或右传播的p极化和s极化电磁波在边界面上的反射率均低于0.5%.     

液晶环境下金纳米柱的表面等离子体特性研究

为了有效研究液晶环境对金属纳米结构表面等离子体的调制作用,基于时域有限差分方法,对液晶环境下金纳米柱结构进行了建模,上下边界采用完全吸收边界条件,四周为周期边界条件.数值模拟了液晶厚度、倾角、光栅距离以及周期结构等参数对金纳米柱的消光特性的调制作用.分析结果表明：随着液晶光轴角度增加,谐振波长出现红移现象,且调制范围为40nm;光栅距离越大,金纳米柱之间的相互作用越弱,谐振波长越小;增加周期长度,谐振波长红移,且随着周期长度增加,次峰作用越明显.利用液晶光学性质可调节金属纳米结构的表面等离子体特性,结果对液晶环境中表面等离子体结构在新的光子器件等方面的研究提供了理论依据.     

负媒质模型的时域有限差分法分析

 负折射率媒质是一种人造媒质,在某一微波波段内其介电常数和磁导率同时为负值。对TE模电磁场满足的麦克斯韦方程组进行数值处理,解决了直接利用时域有限差分方法在Yee’s网格下计算负折射率媒质内部场分布时的数值发散问题。通过数值算例,验证了方法的可行性,模拟了负折射率媒质内部及周围的电磁场分布。     

负媒质模型的时域有限差分法分析

负折射率媒质是一种人造媒质,在某一微波波段内其介电常数和磁导率同时为负值。对TE模电磁场满足的麦克斯韦方程组进行数值处理,解决了直接利用时域有限差分方法在Yee’s网格下计算负折射率媒质内部场分布时的数值发散问题。通过数值算例,验证了方法的可行性,模拟了负折射率媒质内部及周围的电磁场分布。     

Analysis of femtosecond optical pulse propagation in one-dimensional nonlinear photonic crystals using finite-difference time-domain method

In this paper, we have used the finite-difference time-domain (FDTD) method to analyze the optical pulse propagation in a nonlinear, one-dimensional photonic crystal (1DPC). Hyperbolic secant pulses with various carrier wavelengths are utilized in this study. In a nonlinear regime, a 1DPC introduces a photonic band-gap whose central wavelength and width depend on the input pulse intensity. In the present work, three different cases are considered. These correspond to the carrier wavelengths of the incident pulses being out of, near to, and partially in the band-gap. For each case, the effect of nonlinearity on pulse propagation is investigated. Also, we have analyzed the two-frequency regime, in which each of the two pulses has a different carrier frequency (wavelength). This kind of study can be done directly with FDTD without any further computational burden but it is somewhat complicated using nonlinear coupled-mode equations (NLCME) and nonlinear Schrödinger equation (NLSE), which require separate treatments for each carrier wavelength.     

Controlling optical properties of periodic gold nanoparticle arrays by changing the substrate, topologic shapes of nanoparticles, and polarization direction of incident light

The effects of various parameters including thickness and dielectric constants of substrates,shapes of nanoparticles,and polarization direction of incident light,on the extinction spectra of periodic gold nanoparticle arrays are investigated by the full-vectorial three-dimensional (3D) finite difference time domain (FDTD) method.The calculated results show that the substrate affects the extinction spectra by coupling the fields co-excited by the substrate and gold nanoparticles.Extinction spectra are influenced by the shapes of the nanoparticles,but there are no obvious changes in extinction spectra for similar shapes.The polarization direction of incident light has a great influence on the extinction spectra.The implications of these results are discussed.     

Plasmonic-enhanced two-photon fluorescence with single gold nanoshell

Single gold nanoshell with mutilpolar plasmon resonances is proposed to enhance two-photon fluorescence efficiently.The single emitter single nanoshell configuration is studied systematically by employing the finite-difference time-domain method.The emitter located inside or outside the nanoshell at various positions leads to a significantly different enhancement effect.The fluorescent emitter placed outside the nanoshell can achieve large fluorescence intensity given that both the position and orientation of the emission dipole are optimally controlled.In contrast,for the case of the emitter placed inside the nanoshell,it can experience substantial two-photon fluorescence enhancement without strict requirements upon the position and dipole orientations.Metallic nanoshell encapsulating many fluorescent emitters should be a promising nanocomposite configuration for bright two-photon fluorescence label.The results provide a comprehensive understanding about the plasmonic-enhanced two-photon fluorescence behaviors,and the nanocomposite configuration has great potential for optical detecting,imaging and sensing in biological applications.     

坐席低谷效应的时域有限差分多项模拟

介绍了交错网格下,以声压和质点振动速度为声场参量的室内声学时域有限差分递推格式,给出了在建筑边界截断计算区域的边界条件差分格式。在水平地面房间模型下,应用时域有限差分法模拟了坐席低谷效应对于空间和时间的多种特性;此外,模拟了地面起坡时的低谷效应。     

时域有限差分法在建筑声学中的应用及前景

介绍了声波方程的基本差分格式及稳定条件、数值色散、吸收边界条件等数值计算理论，例举了前人用时域有限差分法对噪声传播过程的模拟和室内声学中座椅吸声低谷效应模拟的模拟结果。本文指出，由于时域有限差分法的特点使其具有在模拟脉冲响应方而的特别优势，因而，应用这一技术研究厅堂的声学特性，尤其是低频特性，将有重要意义。     

Enhanced light absorption of silicon in the near-infrared band by designed gold nanostructures

A scheme to enhance near-infrared band absorption of a Si nanoparticle by placing the Si nanoparticle into a designed gold nanostructure is proposed. Three-dimensional （3D） finite-difference time-domain simulations are employed to calcu- late the absorption spectrum of the Si nanostructure and maximize it by generating alternate designs. The results show that in the near-infrared region over 700 nm, the absorption of a pure Si nanoparticle is very low, but when the same nanoparticle is placed within an optimally designed gold nanostructure, its absorption cross section can be enhanced by more than two orders of magnitude in the near-infrared band.     

数值模拟探针诱导表面等离子体共振耦合纳米光刻

采用有损耗介质和色散介质的二维时域有限差分方法,数值模拟了以光波长514.5nm的p偏振基模高斯光束为入射光源,激发Kretschmann型表面等离子体共振,并通过探针的局域场增强效应实现纳米光刻的新方法——探针诱导表面等离子体共振耦合纳米光刻.分别就探针与记录层的间距以及探针针尖大小,模拟分析了不同情况下探针的局域场增强效应和记录层表面的相对电场强度振幅分布.结果表明,探针工作在接触模式时,探针的局域场增强效应最明显,记录层表面的相对电场强度振幅的对比度最大;当探针针尖距记录层5nm时,针尖下方记录层表面的相对电场强度振幅大于光刻临界值的分布宽度与针尖尺寸相近.关键词：纳米光刻表面等离子体共振时域有限差分方法     

内嵌银纳米棒圆形银缝隙结构中的法诺共振现象

应用时域有限差分算法系统地研究了内嵌银纳米棒圆形银缝隙结构的透射特性. 由于倾斜银纳米棒破坏了圆形腔原有的对称稳态磁场分布, 该系统中产生了法诺共振现象. 此外, 透射光谱强烈地依赖于纳米棒的倾斜角度和纳米棒的形貌参数. 这些结果有助于设计复合结构滤波器, 满足特定的滤波需要.关键词：表面等离极化激元法诺共振时域有限差分算法     

表面等离子体环形共振器的滤波性质

利用时域有限差分法研究了基于金属-绝缘体-金属结构的环形波导共振器的滤波特性.研究结果表明,环形波导中存在多个共振模式.共振波长受环形波导的内径调制,随着环形波导内径的增加共振波长发生红移.共振带宽受耦合距离调制,随着耦合距离的增加带宽显著地减小.