分子吸附在各向异性介电核-金属壳层结构附近的表面增强拉曼散射理论研究

研究了在准静态极限下,各向异性介电核-金属壳层这种特殊核-壳结构的表面增强拉曼散射的特性.首先,基于第一性原理,我们推导出这个带壳纳米球颗粒的多重极化率,然后运用Gersten-Nitzan模型研究了这个结构的表面增强拉曼散射的特性.在本文中,我们针对这种各向异性介电核-金属壳层的纳米球颗粒的结构进行理论计算和数值模拟,结果显示,介电核中径向各向异性特性的引入,会对该纳米颗粒的表面增强拉曼散射的峰值起到增强的作用,同时还可以调节体系表面等离共振频率.此外,我们还研究了核的大小对表面增强拉曼散射的意义.我们的研究对于未来探索具有各向异性特性结构的受激拉曼散射很有意义.     

各向异性电介质对纳米壳层结构的法诺共振调制

法诺共振在光开关、化学或生物探测以及新型遥感装置等方面有着广泛的应用. 本文根据各向异性电介质对等离激元纳米结构的散射增强或抑制特点,提出用各向异性电介质材料实现对纳米壳层结构产生的法诺共振调控. 首先根据米散射理论推出纳米壳层结构产生法诺共振的一般条件. 进一步分析发现,改变各向异性电介质材料的切向介电常数或径向介电常数, 可以在一定范围内调制法诺共振的峰值波长、调制幅度和线型.这有利于增加法诺共振在实际应用中的灵活性.数值模拟结果验证了理论分析的正确性和可行性.      

金属-电介质纳米核壳结构的零背向散射特性

本文基于Mie散射理论,设计并研究了具有高定向、可调谐零背向散射特性的"金属-低介电-高介电"纳米核壳结构.分析了低介电层的厚度和折射率对偶极电、磁共振位置及强度的影响,发现将偶极电和磁共振在光谱上调节到重合,满足第一Kerker条件,可以实现零背向散射和显著增强的前向散射.进一步说明通过改变核壳结构的内核厚度和外半径或高介电层的折射率,能够实现零背向散射波长的可调谐.研究结果将对设计基于零背向散射的纳米结构和器件有重要的指导意义.     

柱状长骨中的纵向超声导波频散和激发强度

用一个内充水、外覆水层的横向各向同性柱壳模拟长骨,将环状声源置于长骨外流体层中,数值模拟和分析导波的群速度和激发强度,并考察各向异性参数及长骨内半径对导波频散和激发强度的影响.结果表明:当长骨从各向同性变为横向各向同性时,高阶纵向导波的群速度峰值明显增大;当各向异性参数ε减小时,高阶纵向导波的群速度峰值明显减小,且群速度曲线向低频区域移动;当各向异性参数δ减小时,高阶纵向导波的群速度峰值明显增大;当长骨内半径增加,在低频50kHz附近时,最低阶纵向导波L01的群速度明显减小,激发强度明显增强;最低阶和第二阶纵向导波模式可分别用于检测长骨的厚度变化及各向异性特征.     

双金属纳米结构光学特性分析

利用有限元法对菱形银金核壳结构纳米颗粒的光学特性进行仿真计算,结果表明,在研究的光谱范围内,消光截面图上仅存在一个明显的共振峰,并且随着壳厚度的改变而发生移动。与其他结构的纳米粒子作对比之后发现,双金属核壳结构具有较理想的共振吸收波长和较强的光学吸收,可以作为理想的表面增强拉曼散射基底。     

基于电磁多尺度理论的各向异性球体目标散射特性

将无耗各向异性介质重构为电学上的无耗各向同性介质,得到重构目标的散射截面;进而得到主坐标系中无耗各向异性介质球的散射截面,将介质退化到各向同性介质时,各向异性介质球的散射截面与Mie理论完全一致,验证所得结果的正确性.仿真结果表明:散射截面正比于目标介电常数张量的元素且随入射方向的变化而变化,所得结果为复杂形体各向异性介质目标的散射评判提供理论基础.     

含各向异性层的多层结构中的横波传播

对含有各向异性层的多层结构中波传播问题的数学描述非常复杂,这一复杂性源于界面的多样性和各向异性介质物理性质的特殊性.针对此问题,基于传递矩阵方法,以界面为刚性连接的各向同性/正交各向异性/各向同性3层结构为例,导出了此类结构中SV波和最低阶模态SH波(即SH0)的反射与透射系数表达式.利用数值模拟研究了入射角度、频厚积和中间层介质对横波传播特性的影响.结果表明:SV波入射多层结构会有临界角存在,SH波入射无此现象.当声波垂直入射,随着频厚积的增大,多层结构中SV和SH波的反射和透射系数曲线会产生多阶谐振.研究结果为实际实验中采用横波入射检测类似于各向同性/正交各向异性/各向同性的多层结构提供了理论依据.     

各向异性人工材料的电磁波吸收特性

利用传输矩阵法研究了含各向异性人工材料的一维结构的电磁波吸收特性,分析了入射波频率、极化方向、入射角以及材料厚度对电磁波吸收率的影响.结果表明,电磁波垂直入射到单层各向异性人工材料中,尽管s波和p波的吸收率极大值出现在不同的频率,但两种波的吸收率随层厚增大的变化规律一致.斜入射时,不管入射角如何变化,s波和p波的吸收率都随着层厚的增大而趋于定值,该极限值由入射角决定.改变入射波频率,当某一频率对应磁导率张量的矩阵元的实部为负值,对应极化波的吸收率随层厚的增大而趋于定值;当磁导率张量的矩阵元的实部为正值,对应极化波的吸收率随层厚的增大而振荡,且峰值出现在层厚为λ/2的整数倍时.含各向异性人工材料的三层结构的吸收率优于单层结构.以上结论可为使用各向异性人工材料制作电磁波吸收器提供理论支持.     

耦合增强型 “巨”字形左手材料磁谐振器的设计

磁谐振器与电谐振器组合能够实现同时具有负介电常数和负磁导率的左手材料,左手材料磁谐振器的设计对于设计新型左手材料具有重要的意义。针对左手材料磁谐振器设计问题,提出了磁谐振器设计原理,为消除磁谐振器的双各向异性,所设计的结构关于电场方向等效为镜像对称的单回路。根据此原理,设计了耦合增强型"巨"字形磁谐振器结构,并通过实验仿真验证了结构的等效负磁导率。结果表明,所设计的结构在8.9GHz-10GHz之间具有负的等效磁导率,并且结构的双各项异性得到了有效的消除,说明了所提出设计原理的正确性。相对于传统的开口谐振环磁谐振器,"巨"字形磁谐振器结构简单,易于进行加工制作和理论分析。     

球形银纳米颗粒及氧化硅/银纳米壳层的消光性能模拟

采用离散偶极近似理论,对球形银纳米颗粒和氧化硅/银纳米壳层在紫外-可见-近红外波段的消光性能进行模拟计算研究.研究结果表明:随着粒径的增加球形银纳米颗粒的偶极消光峰逐渐红移,四极消光峰开始出现且逐步红移,散射作用增强而吸收作用减弱.粒径和核壳比对氧化硅/银纳米壳层的消光性能均有很大影响,随着核壳比增大,主要消光峰发生规律性红移:当核壳比相同时,较大粒径的纳米壳层其消光峰位于较长波长处.当银壳层厚度超银的电子平均自由程时,纳米壳层的消光特征与同粒径银纳米颗粒的完全一致.     

用色散关系讨论单轴晶体的双折射现象

在基础光学教科书中,讲到单轴晶体的双折射现象时,通常采用惠更斯作图法,对这一现象作定性解释。本文利用色散关系讨论单轴晶体的双折射现象。电磁波在各向异性的晶体介质中传播时,对于磁场分量,一般情况下,用真空磁导率 u。表示晶体的磁介性质,已足够精确。而对于电场分量,介电常数须用张量表示,称为介电张量。因此,表征晶体介质电磁性质的方程记作     

超颖材料特性对无线电力传输系统的影响

为了提高无线电力传输系统的传输效率和增大传输距离,在无线电力传输系统中采用了超颖材料.从负折射率和倏逝波出发,通过公式推导和仿真分析,探讨了超颖材料对倏逝波的增强效应.结果表明:当磁导率为负值时,超颖材料对倏逝波磁场的增强效应可使耦合系数成倍增大;而负的介电常数所引起的电场增强效应对耦合系数的影响较小;在现有无线电波段工作频率和厘米量级的传输距离条件下,负折射效应无法提高耦合系数,即无法提高传输效率,而需要制作工艺相对简单、磁导率为负的单负材料,以达到提高无线电力传输效率的目标.     

中空纤维的电磁建模及各向异性电磁参量计算分析

基于Maxwell方程,构建中空电磁纤维的电磁模型,分析电磁波与中空电磁纤维的相互作用,推导中空电磁纤维的轴向磁导率、轴向介电常数及径向磁导率与径向介电常数这些典型电磁参量的理论公式,从而证实中空电磁纤维的电磁参量具有强各向异性;以Fe纤维为例,通过对频率5 GHz的各向异性复磁导率和复介电常数的数值计算,发现轴向电磁参量是影响纤维微波电磁性能的主要因素,且中空纤维应用于微波吸收比实心纤维具有更好的电磁匹配性和电磁损耗性能.     

非相对论麦氏分布等离子体介质磁导率的分析

等离子体作为物质的第4态,与一般物质有着不同的特性,尤其是电磁性能更为复杂。本文研究非相对论麦氏分布等离子体介质的磁导率。在导出非相对论麦克斯韦粒子分布情况下的介电常数后,根据Silin提出的各向同性等离子体中磁导率与介电常数的关系,数值计算频率一波数空间的磁导率。结果表明,等离子体磁导率在频率一波数空间的分布与粒子密度及其温度有关。     

均匀电场、磁场中三维各向同性谐振子的壳结构

推导出了三维各向同性谐振子在均匀电场、均匀磁场中的能级表达式并讨论了均匀电场、磁场中三维各向同性谐振子的壳结构.     

等离子体介质在非相对论情况下的磁导率的分析

等离子体作为物质的第四态,与一般物质有着不同的特性,尤其是电磁性能更为复杂。本文研究非相对论情况下等离子体的磁导率。推导出非相对论麦克斯韦粒子分布情况下的介电常数,根据Silin提出的各向同性等离子体中磁导率与介电常数的关系,数值计算了两种典型等离子体波色散关系下的磁导率。结果表明,在等离子体中那些不满足色散关系的波很快就衰减,满足色散关系的波,磁导率仅仅是频率的函数。同时,等离子体磁导率还受温度的影响。     

外电场中单层氧化石墨烯的透射特性与成像

基于对氧化石墨烯光电材料的广泛研究,改善并操控单层氧化石墨烯的光学特性.本文研究了外电场作用下单层氧化石墨烯的透射强度和成像的变化,透射成像反映了单层氧化石墨烯光学特性的各向异性,透射及荧光强度的变化反映了电场作用下单层氧化石墨烯光学特性可逆的操控性.利用氧化石墨烯中极性含氧官能团在电场作用下的极化效应,改变由sp3碳形成的电子局域态密度分布,从而改变单层氧化石墨烯的光学特性,并表现出电场对含氧官能团的方向性极化效果.     

半核壳PS@Ag/Fe/Ag阵列的制备与SERS性能研究

表面增强拉曼散射(SERS)光谱已广泛应用在生命科学、化学、医学等诸多领域.设计了一种二维有序的半核壳SERS活性基底.利用自组装技术制备聚苯乙烯(PS)球核,通过磁控溅射系统在其表面包覆Ag/Fe/Ag三层壳,改变Fe的溅射时间,制成不同厚度铁磁性层的半核壳PS@Ag/Fe/Ag阵列.采用532 nm激发波长,选择对巯基苯胺作为探针分子研究SERS基底的活性,其增强因子可达到10~7.SERS的增强主要来源于物理增强(即电磁场增强),实现基底的高灵敏度检测和重现性.铁磁性层的引入对PS@Ag/Fe/Ag阵列的SERS增强具有较好的调控作用.     

CoFe_2O_4/Co_3Fe_7-Co纳米核壳结构的高频磁特性

通过H2热还原法制备了一种以磁性介电材料Co Fe2O4为核,以磁性金属材料Co3Fe7-Co为壳的纳米核壳结构。表征了样品的形貌、结构、静态和动态磁性并利用Landau-Lifshitz-Gibert方程对核壳结构的磁谱进行了拟合。结果表明Co Fe2O4/Co3Fe7-Co纳米核壳结构能够有效的提高磁导率,其共振机制以自然共振和交换共振为主。该结构有利于增强磁损耗,在微波领域具有广泛应用价值。     

纳米半球壳结构光学调谐特性分析

利用离散偶极近似法,理论研究了颗粒几何结构参数和物理特性对金纳米半球壳颗粒消光特性的影响.结果表明,随着壳层厚度的增大,消光共振波长先发生蓝移而后再红移,共振波长转向时对应的壳层厚度随内核材料及外界环境介电常数和颗粒间距的增大而增大.利用等离激元杂化理论和相位延迟效应对该现象进行了解释.