Key words: Nano photonics; Finite - difference time - domain method; Surface plasmon; Metal nanoparticles

目 录

第一章 绪 论 1

1.1引言 1

1.2纳米光子学概述 1

1.2.1纳米光子学应用 3

1.3表面等离激元的发展及应用 3

1.3.1表面等离激元学的发展 3

1.3.2表面等离激元学的应用 4

1.4纳米材料 5

1.4.1纳米材料概述 5

1.4.2金属纳米颗粒 6

1.5本文内容安排 6

第二章利用FDTD对金纳米颗粒的表面等离激元效应的模拟研究 7

2.1引言 7

2.1.1时域有限差分法的背景及应用 7

2.1.2模拟仿真软件主要操作步骤及应用 7

2.2实验部分 9

2.2.1不同尺寸的金属纳米颗粒的电磁特性仿真 9

2.2.2不同间距的金纳米颗粒的电磁特性仿真 10

2.2.3不同形状的金纳米颗粒的电磁特性仿真 12

2.2.4不同波长入射光的电磁特性仿真 14

2.3本章小结 17

结 论 18

致 谢 19

参考文献 20

第一章 绪论

1.1引言

表面等离激元（SurfacePlasmonPolaritons,SPPs）的研究随着纳米光子学的不断发展吸引了越来越多研究人员的注意[1]。自上世纪九十年代开始，关于表面等离激元的研究呈现了爆发式的增长，越来越多的课题组进入该领域是因为表面等离激元在应用方面有着非常诱人的前景[2]。表面等离激元之所以吸引科学家的广泛关注是因为利用光和金属纳米颗粒彼此作用实现能量相互转换，从而吸引科学家找到各种方法通过利用表面等离激元来实现对光在纳米尺寸上的控制。用紫外-近红外波段的入射光波（电磁波）照射金、银等贵金属纳米颗粒，贵金属纳米颗粒中的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成一种沿着金属表面传播的近场电磁波，当电子振荡频率与入射光的频率一致时发生共振，此时纳米颗粒对光子能量产生很强的吸收作用，电磁场的能量转变成金属表面自由电子的集体振动能且其周围局域电场得到非常大的增强，称该现象为局域表面等离激元[3]。FDTD方法是将麦克斯韦方程式在时间以及空间上进行差分化，模拟出电子脉冲和理想导体作用的时域响应[4]。以下三点需要特别注意：差分格式、解的稳定性、吸收边界条件。有限差分步骤如下：第一，使用特定的网格划分方式离散化场域；第二，离散化处理场内的偏微分方程以及各种边界条件；第三，编辑差分格式得到差分方程组；第四，编制相关程序求得边值问题的数值解。

本文的主要内容是掌握FDTDSolutions模拟软件并且利用其模拟金属纳米颗粒的表面等离激元效应。本章首先分别介绍纳米光子学，表面等离激元学，金属纳米颗粒的特点和应用；最后是对本书的整体结构安排。