纳米结构金属表面的近场电势分布

基于均匀外电场中金属纳米半球颗粒按一定对称性从平面衬底生长出的表面结构,建立纳米半球颗粒表面附近近场电势的理论模型.采用数值计算方法得到近场电势的空间分布,并以三维曲面的形式给出.结果表明:电势分布呈现明显的几何对称性.结果为解释与纳米结构薄膜表面有关的各种异常现象提供依据,为纳米结构薄膜材料的应用研究提供参考.     

双金属纳米天线在少周期激光中的宽带超快电磁响应

研究了耦合的核壳双金属纳米粒子天线的光场增强与超快时域响应. 在少周期激光的应用中, 如表面等离激元金属纳米器件中的超快响应探测元件, 这种双金属天线展示了超宽带共振频谱及控制局域表面等离激元增强的能力. 研究了二聚体、三聚体以及七聚体, 并且发现三聚体Ag/Au核壳结构显现了极高的场增强能力, 其场振幅增强因子超过了120, 并在5 fs的时间内场振幅迅速衰减为30, 保持了超快的光学响应特性. 利用该结构的表面等离激元增强效应产生高次谐波, 对于产生超快阿秒脉冲有着潜在的重要应用价值. 关键词： 纳米光学天线 双金属球壳结构 少周期激光脉冲 表面等离激元     

斜入射周期结构模拟的迭代时域有限差分方法

基于时域有限差分法引入一种基于迭代的算法,主要原理是通过时间步进方式,用先迭代产生的已知场近似当前迭代所需的未知场,使近似场和真实场之差随迭代次数的增加而逐渐减小.探讨了该算法的具体实现过程,给出了收敛性分析,发现无限长金板反射系数的计算结果与解析解在数值上高度一致,从而验证了该方法的正确性.将该算法引入到三维色散结构模型仿真中,从理论上验证了在硅表面放置纳米圆柱结构所具有的超透射现象.研究表明,所构建方法克服了传统方法受入射角度限制、缺少时域场演化过程和需要大量网格剖分等方面的缺点,为色散周期结构在斜入射条件下的传输特性研究提供了新的解决途径.     

椭球模型下通过雾场的多重光散射谱

由于雾滴的非球形、多重散射特性以及几何光学效应,光通过实际雾场的散射问题成为一个研究难点. 建立了近于实际的椭球雾滴模型,考虑光的衍射、透射及反射特性后,利用辐射传播方程得到了在不同的雾滴大小分布 及不同的雾滴形状分布下通过雾场的多重散射光强公式.在两种特例下与已有的结果较为相符,说明了方法的可靠性. 计算表明:与随机取向的非球形颗粒场的散射谱呈圆形特征不同,通过椭球形雾滴场的散射谱呈椭圆特征, 不同方位角的散射光强角分布有所差异,雾滴的形状因子越接近于1,差异越小;与单散射不同, 散射谱中的条纹随光学厚度增大逐步消失;对于不同大小分布及不同形状分布的雾滴场, 在不同方位角及不同观察角的散射光强随光学厚度τ的增加总是先增大再减小,光强的极大值位置在τ = 1.0---3.0 范围内.计算同时还表明,由于多数情况下实际雾场的雾滴大小偏差较大, 因而通过雾场的散射谱将呈现以中央亮斑为中心向四周弥散的图样.     

球形微腔共振模式下的内场分布

基于Mie理论研究了球形光学微腔的光学特性,通过计算内场和散射场振幅展开系数随着尺寸分布的变化确定了共振发生的位置,给出了计算球形微腔散射场和内场的计算公式,并数值模拟了结构共振情形下的内场分布情况,分析了微腔内的光振荡特性。     

球形微腔共振模式下的内场分布简

基于Mie理论研究了球形光学微腔的光学特性,通过计算内场和散射场展开系数随着尺寸分布的变化确定了共振发生的位置,给出了计算球形微腔散射场和内场的计算公式,并数值模拟了结构共振情形下的内场分布情况,分析了微腔内的光振荡特性.     

微粗糙光学基片表面与上方冗余粒子的差值场散射特性研究

基于小波距量法(MOM)研究了微粗糙光学基片表面与上方冗余粒子的差值光散射特性。从基本电场积分方程出发,推导出冗余粒子目标与光学基片微粗糙面的积分方程,得到阻抗矩阵,进而推导出散射耦合场及差值场,给出复合散射模型双站散射截面的计算公式,数值计算并分析了不同入射角度,不同材质的单个及双个冗余缺陷粒子与微粗糙光学基片表面的双站散射截面及差值双站散射截面的散射角分布,给出冗余粒子及微粗糙面的散射贡献及差值场散射角分布。     

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。     

阶梯型纳米孔径的近场光学局域增强特性研究

提出一种高分辨力与高通光效率兼备的阶梯型纳米孔径设计方法 ,孔径的尺寸从膜层的入射表面向出射表面呈阶梯型逐渐减小 ,直到在膜层的出射表面形成一个亚波长的小孔。采用三维时域有限差分 (FDTD)方法对方形阶梯型纳米孔径及三角形阶梯型纳米孔径进行了数值模拟计算。结果表明 ,由于近场光学很强的局域场增强效应 ,其通光效率与输出光强极大值在具有相同近场光斑尺寸情况下 ,较普通的非阶梯型纳米孔径提高了两个数量级 ,甚至更高 ,有效地提高了输出光功率。采用四台阶三角形阶梯型纳米孔径 ,当光斑半峰全宽为 97nm× 74nm时 ,出射光强极大值达到 10 4 9.76 ,较入射光增强了 10 0 0倍 ,而通光效率大于 1,达到 1.6 7。这种阶梯型纳米孔径可以直接作为纳米孔径激光器的出射孔径提高其输出光功率 ,也可以作为独立的光学屏对入射光进行整形得到具有高输出功率的亚波长尺度光源 ,在纳米尺度光学成像、光谱探测、数据存储、光刻、光学操作等近场光学应用领域具有潜在的应用前景。     

纳米孔径激光器出射孔径设计

采用三维时域有限差分（FDTD）方法计算和比较了不同形状和尺寸的纳米孔径半导体激光器的近场分布特性，结果表明采用C形孔径设计可使纳米孔径激光器的输出光强最大值比方孔和圆孔提高了3－4个数量级，通光效率也会有显著提高而聚焦光斑尺寸基本不变。并提出C形孔在孔径尺寸为1／3波长左右时输出光场分布最优。纳米孔径激光器可用于超高密度近场光存储、近场光学超衍射分辨成像、纳米光刻等。     

原子力显微镜测试光学超光滑表面微轮廓的研究

论述了使用原子力显微镜测量超光滑光学表面的优点及其在光学领域中的重要应用。列举了用这种方法测试得到的超光滑光学表面微轮廓图及纳米量级的微缺陷,以及这些表面镀膜前后表面形态结构和微粗糙度的变化。作为比较,列举了用干涉轮廓仪测得相同表面的微粗糙度参数等８。由于原子力显微镜有三维的高精度,而干涉方法只有一维的高精度,所以前者可以得出表面真实形貌和微轮廓。     

基于微纳结构及材料特性的光场调控模拟研究

利用时域有限差分算法（FDTD）对微纳结构靶的光场分布进行仿真模拟,探究微纳结构靶中的光传输机制,分析材料特性和结构参数对光传输特性和光场分布的影响。基于光场分布及演化的仿真模拟结果,对比半导体氧化铝、绝缘体二氧化硅和金属铜三种导电性不同的材料上纳米线和纳米孔阵列微纳结构靶的激光传输特性,分析光传输过程中的光场分布变化。研究结果表明,通过改变氧化铝和二氧化硅纳米孔（线）阵列结构靶中孔洞（纳米线）直径和间距等结构参数,可以实现对微纳结构靶中光传输特性和光场分布的调制,实现光场在介质材料和真空区域间的周期振荡分布,或是以一种稳定形态传输;激光在铜纳米孔阵列中传输时,透光性随孔洞半径的增加而增加。基于光场分布及演化的仿真模拟结果,对比不同材料、不同微纳结构靶的激光传输演化特性,给出物理图像及对应现象规律,根据光场调控需求,给出微纳结构靶设计。     

一维周期结构散射近-远场外推的两种方法

 首先讨论了自由空间中一维周期结构近-远场外推的Floquet模方法,即对FDTD计算所得散射近场中输出边界上散射场进行级数展开,求出各阶Floquet模的复数幅值,再求得远区场。接着介绍了求解一维周期结构远区散射场的周期Green函数方法,即根据FDTD计算所得散射近场中输出边界上散射场,求得等效面电磁流后,再借助周期Green函数进行外推得到远区场。两种方法均仅用一个周期单元内的散射近场进行外推。计算结果验证了上述两种方法外推的有效性。     

复介电常数的K-K修正对金属纳米球阵列结构光学特性的影响

对金属的复介电常数虚部进行了Kawabata-Kubo(K-K)修正,定量描述了表面等离激元产生的光学散射和吸收特性;利用米氏理论和电偶极子理论计算并分析了光入射到单个椭球状金属纳米微粒产生的消光特性;建立了椭球状纳米微粒周期阵列分布的光学偏振结构模型,利用COMSOL软件模拟计算了可见光到近红外波段的偏振光输出特性。以椭球的有效半径替代球半径,将K-K修正应用于金属椭球阵列结构的有限元模拟。修正后的金属纳米椭球阵列的透过率减小,消光光谱带宽增大,这与实验中单个金属颗粒的宽带强吸收特性趋势一致。     

飞秒激光诱导自组织纳米周期结构及其光学特性的研究进展

飞秒激光具有超快、超强的特点.飞秒激光微纳加工发展非常迅速. 本文综述了近十年来利用飞秒激光在金属、半导体、介质等各类材料中制备的纳米周期结构, 阐述了若干关于飞秒激光诱导纳米周期结构的物理机理的观点.讨论了基于偏振调制的多光束 干涉在半导体表面制备纳米周期结构,简要叙述了周期结构对材料光学特性的影响. 关键词： 飞秒激光 纳米周期结构 多光束干涉 光学特性     

基于微扰近似的圆锥表面光散射*

由Hueygen原理出发,介绍了粗糙表面的光散射特性.基于微扰近似,在不考虑遮蔽效应和圆锥顶点的散射情况下,分析了圆锥物体的光散射特性,推导了圆锥物体对平面光的散射场解析表达式.计算了圆锥表面在高度起伏均方根不同情况下对1.06μm光波的散射,并且得到了入射角一定的情况下,不同观察方向的散射光强分布曲线.结果表明,在观察方位角不变时,圆锥的散射光强随观察角顶角的增加先增大后减小|在观测方位角一定时,散射光强随高度起伏均方根的增加而减小,且随观察方位角呈对称分布.     

基于微扰近似的圆锥表面光散射

由Hueygen原理出发,介绍了粗糙表面的光散射特性.基于微扰近似,在不考虑遮蔽效应和圆锥顶点的散射情况下,分析了圆锥物体的光散射特性,推导了圆锥物体对平面光的散射场解析表达式.计算了圆锥表面在高度起伏均方根不同情况下对1.06μm光波的散射,并且得到了入射角一定的情况下,不同观察方向的散射光强分布曲线.结果表明,在观察方位角不变时,圆锥的散射光强随观察角顶角的增加先增大后减小;在观测方位角一定时,散射光强随高度起伏均方根的增加而减小,且随观察方位角呈对称分布.     

光学表面沾染的成像系统的性能测试和分析

光学表面沾染是导致光学成像系统成像质量降低的重要因素之一。对光学表面被直径d=0.3 mm而颗粒间距不同的颗粒沾染的成像系统进行了测试,相应的分辨率值由奥林巴斯公司编写的软件HYRes 3.1给出。然后采用时域有限差分方法(FDTD)计算了相应的前向散射光强分布。结果表明,随着沾染颗粒间距的减小,前向散射光强的最大值在数值上变化不大,但位置更加远离成像面中心,而且光能更加集中于某些点上,分辨率随之减小;当颗粒间距达到一定值时,分辨率严重降低以致无法由软件读出,而前向散射光的最大值也迅速下降,且几乎位于成像面边缘。因此,在光学表面沾染量较小、不足以造成光能传输率明显改变的情况下,沾染颗粒衍射引起的光能分布的改变可以导致光学成像系统成像质量的降低。     

光纤端面微型传感单元的共振模式及影响因素

首先在光纤端面设计一种由金光栅-介质-金薄膜构成的复合结构,并研究多种共振模式随介质层厚度的变化及其场分布特点。然后研究限制在金光栅和金薄膜纳米级间距的波导共振模,通过反射谱的变化和谐振模式的电场分布特点研究不同阶次的纳米谐振效应。此外,还仿真计算金光栅的宽度、厚度及周期、中间介质层折射率和金反射薄膜厚度的变化对纳米谐振腔光谱特性的影响,根据波导模干涉的相位差公式定性分析其谐振频率的变化,并计算获得纳米谐振腔对腔内介质折射率和腔长的灵敏度。最后,搭建微位移平台,验证光纤端面与金薄膜所构成的Fabry-Perot干涉光谱随间距的变化,并提出光纤端面纳米谐振结构的实现方案。     

10m高分布式负载有界波电磁脉冲模拟器的模式分析

利用时域奇异值分解(SVD)技术对并行时域有限差分(FDTD)方法计算得到的分布式负载平行板有界波电磁脉冲(EMP)模拟器内的场进行模式分析,给出有、无效应物时模拟器内场的3个主要模式(即TEM,TM1和TM2模)奇异值的变化及该奇异值随效应物的位置及高度的变化规律。研究结果表明:电磁波在模拟器中传播时,其主模TEM模的高频分量在衰减;效应物越靠近源时测试点场的3个主要模式所对应的奇异值变化越大;且当效应物的高度与所在位置处两极板距离之比小于等于60%时,效应物附近位置处场的TEM模对应的奇异值会出现两个极大值点,两点的水平间距与效应物的水平尺寸相当。