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300~1 200 nm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。     

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。     

理想同心介质球纳米喷流特性

利用有限时域差分方法,对核壳结构进行了模拟研究,得到内核折射率以及内核半径对聚焦光斑纳米喷流特性的影响。研究表明：在内核半径不变的情况下,当内核相对折射率较低时,入射光能量主要集中在内核与外壳层交界区域,此时光波能量有很大一部分处于非聚焦的旁瓣中;当内核折射率超过外层,可以在核壳结构背光面形成双增强点;在内核相对折射率不变的情况下,通过改变内核半径实现了对内、外核聚焦点位置的主动控制。     

Investigation of three-pulse photon echo in thick crystal using finite-difference time-domain method

This paper investigates the phenomenon of three-pulse photon echo in thick rare-earth ions doped crystal whose thickness is far larger than 0.002 cm which is adopted in previous works.The influence of thickness on the three-pulse photon echo's amplitude and efficiency is analyzed with the Maxwell-Bloch equations solved by finite-difference timedomain method.We demonstrate that the amplitude of three-pulse echo will increase with the increasing of thickness and the optimum thickness to generate three-pulse photon echo is 0.3 cm for Tm~(3+):YAG when the attenuation of the input pulse is taken into account.Meanwhile,we find the expression 0.09 exp(α'L),which is previously employed to describe the relationship between echo's efficiency and thickness,should be modified as 1.3 · 0.09 exp(2.4 ·α'L) with the propagation of echo considered.     

色散金属光学特性分析通用时域有限差分方法

结合数字信号处理中的半解析递归卷积(SARC)算法,提出一种用于金属光学特性分析的改进半解析递归时域有限差分方法(SARC FDTD)。该方法保持了SARC算法的绝对稳定性和高精度、低内存等优点,又利用梯形近似使FDTD递推公式更加简洁,计算效率进一步提高,对于各种常用金属色散模型,均只需给出模型的极点和对应的系数,即可运用该算法的程序进行计算,具有较好的通用性。最后,通过金属的高阶Lorentz,Drude-Lorentz和Drude-CP三种常用色散模型对算法进行了验证。     

色散介质电磁特性时域有限差分分析的Newmark方法

根据Debye模型、Drude模型和Lorentz模型3种常见色散介质模型频域极化率的特点,利用频域到时域的转换关系jω→?/?t,将极化矢量P与电场强度E的频域关系转换成时域内关于P的二阶微分方程,其对3种色散介质模型皆适用,具有统一的形式.然后采用相比于中心差分具有更高精度的Newmark两步算法(Newmark-β-γ法)求解该方程,进而得到E→P的递推公式,再结合本构关系得到D→E的时域递推式.实现了色散介质电磁场量的时域有限差分迭代计算.数值计算结果表明该方法是适用于3种色散介质模型的通用算法,并且相比于移位算子时域有限差分方法等以中心差分为基础的离散方案具有更高的计算精度.     

Optical simulation of in-plane-switching blue phase liquid crystal display using the finite-difference time-domain method

The finite-difference time-domain method is used to simulate the optical characteristics of an in-plane switching blue phase liquid crystal display.Compared with the matrix optic methods and the refractive method,the finite-difference timedomain method,which is used to directly solve Maxwell's equations,can consider the lateral variation of the refractive index and obtain an accurate convergence effect.The simulation results show that e-rays and o-rays bend in different directions when the in-plane switching blue phase liquid crystal display is driven by the operating voltage.The finitedifference time-domain method should be used when the distribution of the liquid crystal in the liquid crystal display has a large lateral change.     

色散金属光学特性分析通用时域有限差分方法

结合数字信号处理中的半解析递归卷积(SARC)算法,提出一种用于金属光学特性分析的改进半解析递归时域有限差分方法(SARC FDTD)。该方法保持了SARC算法的绝对稳定性和高精度、低内存等优点,又利用梯形近似使FDTD递推公式更加简洁,计算效率进一步提高,对于各种常用金属色散模型,均只需给出模型的极点和对应的系数,即可运用该算法的程序进行计算,具有较好的通用性。最后,通过金属的高阶Lorentz,Drude-Lorentz和Drude-CP三种常用色散模型对算法进行了验证。     

金纳米球壳光学吸收的Mie理论分析

基于Mie散射理论研究了金壳厚度变化、内核尺寸变化及内核介质变化下金纳米球壳的吸收光谱.研究发现,随着金壳厚度的增加,颗粒光学吸收增加到最大值后逐渐降低;随着内核尺寸逐渐增加,金壳颗粒的光学吸收最大值逐渐减小.此外,还发现随着内核介电常数的增大,颗粒的光学吸收逐渐减弱,当内核为空心时,吸收最强.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对上述现象进行了理论分析. 关键词： 金纳米球壳 等离激元共振 吸收光谱     

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.     

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.     

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.