各向異性特異納米顆粒體系電磁性質(zhì)研究.pdf

1、本文主要研究徑向各向異性特異納米顆粒體系的電磁波散射特性?；诟飨蛲孕∏螂姶挪ㄉ⑸淅碚摚↙orenz-Mie散射理論），將之推廣到徑向各向異性帶殼球和帶殼柱體系，率先建立了該體系完整的全波電磁散射理論。具體研究內(nèi)容分以下幾方面：
　　1.徑向各向異性納米球顆粒的非瑞利散射特性
　　運(yùn)用推廣的 Lorenz-Mie散射理論研究具有徑向各項(xiàng)異性球形納米顆粒的電磁波散射特性。重點(diǎn)研討在準(zhǔn)靜態(tài)近似下，納米顆粒散射效率 scaQ對(duì)尺

2、0寸參數(shù)q（ q k a=）的依賴關(guān)系，研究表明各向異性納米球顆粒的散射效率對(duì)尺寸的0依賴可以不同于傳統(tǒng)的小顆粒近似下的散射規(guī)律:瑞利定則（即Q qμ）。具體表現(xiàn)4 sca如下：（1）各向異性納米球介電常數(shù)滿足2/1t re e=-（或磁導(dǎo)率滿足mtm=2/1 r-）時(shí)，小球的散射效率是一個(gè)可調(diào)節(jié)其大小的常數(shù)。（2）當(dāng)2/1t re e=-并且m e=-t21 t時(shí)，其散射效率可以與1/q成正比，產(chǎn)生顆粒越小，散射越大的“非?！爆F(xiàn)象。（

3、3）2更有趣的是，相比各向同性小球所不能實(shí)現(xiàn)的結(jié)果，當(dāng)e et=+(1)/2 re和rm mt=+(1)/2 rmr）時(shí)散射效率會(huì)有一個(gè)特異的漸進(jìn)行為。換句話說，當(dāng)8 sca q時(shí)，小顆粒的散射與各向同性顆粒比較起來，變得更加迅速的趨向零。同時(shí)，各向異性介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的適當(dāng)調(diào)節(jié)，可使系數(shù)F盡可能的減小。因而，這種各向異性顆粒更容易“消失”或者說“隱形”。
　　2.徑向各向異性納米球顆粒電磁波散射強(qiáng)度方向性與偏振性的調(diào)控
　

4、　基于徑向各向異性球顆粒的全波電磁散射理論，進(jìn)一步研究其電磁波散射強(qiáng)度的方向性控制以及散射波偏振性。從拓展的Mie散射系數(shù)出發(fā)，獲得準(zhǔn)靜態(tài)近似下納米球顆粒前向（散射角q為0度）和背向散射（散射角q為180度）強(qiáng)度為零的解析修正表達(dá)式。該修正條件既能滿足前向與背向散射強(qiáng)度為零，又能滿足光學(xué)原理C C C=+。其次，通過調(diào)節(jié)球顆粒的徑向各向異性電磁參數(shù)，進(jìn)一步將散射強(qiáng)度為零推廣到任意散射角度。最后，我們還導(dǎo)出準(zhǔn)靜態(tài)近似下各向異性球散射光為完

5、全偏振光的解析表達(dá)式，或稱之為推廣的“布儒斯特角”。數(shù)值計(jì)算表明適當(dāng)調(diào)節(jié)顆粒的電磁各向異性比率可以獲得高質(zhì)量的完全偏振光（TE模式或TM模式），使得散射光在更大角度范圍內(nèi)偏振化程度得到提高（更接近于1或-1）。ext sca abs
　　3.徑向各向異性對(duì)金屬核-殼納米球顆粒體系表面等離子激元共振等光學(xué)性質(zhì)的影響
　　我們將Lorenz-Mie散射理論拓展到具有徑向各向異性核-殼結(jié)構(gòu)球顆粒體系，闡述了徑向各向異性球顆粒電磁波

6、散射消光光譜中偶極和四極共振的特性。對(duì)于電介質(zhì)核-金屬殼的體系，在小尺寸情形下引入核層的各向異性會(huì)導(dǎo)致偶極共振波長的藍(lán)移。而在大尺寸情形下（內(nèi)核半徑大于９０納米）引入各向異性并不能改變偶極共振波長。此外，還研究了消光光譜中偶極共振和四極共振峰值隨各向異性參數(shù)的變化特征。數(shù)值仿真模擬結(jié)果表明共振時(shí)顆粒附近的場(chǎng)有顯著增強(qiáng)，局域電場(chǎng)的增強(qiáng)可以通過適當(dāng)改變球內(nèi)核的各向異性來實(shí)現(xiàn)其可調(diào)節(jié)性；不僅可以改變電場(chǎng)增強(qiáng)的區(qū)域，而且還可以改變其最大增強(qiáng)值。

7、對(duì)于金屬核-電介質(zhì)殼結(jié)構(gòu)，在殼層中引入徑向各向異性，會(huì)導(dǎo)致小尺寸情形偶極共振的藍(lán)移，但隨著尺寸變大共振波長出現(xiàn)紅移現(xiàn)象。因此，引入徑向各項(xiàng)異性的光學(xué)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)的表面等離子激元共振以及可改變的局域場(chǎng)增強(qiáng)。
　　4.各向異性帶殼納米柱的隱身特性
　　我們率先建立具有柱各向異性無限長帶殼圓柱體的全波電磁散射理論。獲得空間各區(qū)域電磁場(chǎng)的精確表達(dá)式，并且該結(jié)果對(duì)物體的尺寸以及構(gòu)成材料沒有任何限制。研究表明通過適當(dāng)調(diào)節(jié)殼層電各向異

8、性參數(shù)，帶殼柱的散射效率可以得到顯著減小，相反的是調(diào)節(jié)內(nèi)層各向異性參數(shù)并不能得到減小散射效率的結(jié)果。此外，同時(shí)調(diào)節(jié)柱的電各向異性以及磁各向異性參數(shù)，可以使得柱形目標(biāo)物的散射極大減小，甚至是“不可見”，磁場(chǎng)的Comsol Multiphysics數(shù)值仿真模擬驗(yàn)證了這一結(jié)果。在長波極限下，運(yùn)用有效媒質(zhì)理論推導(dǎo)出各向異性帶殼柱的等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，并獲得準(zhǔn)靜態(tài)下柱體不可見（也即是散射為零）時(shí)核殼半徑比與各向異性光學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系。小尺寸情形