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摘 要

第一章 绪论 1

1.1 引言 2

1.2 研究背景 2

第二章 研究背景 2

2.1等离激元 2

2.2光力操控原理及应用 6

第三章 研究现状 9

3.1研究现状 9

3.2 各种新型的结构 12

第四章 自己的研究工作 13

4.1研究方案及流程 13

4.2研究过程及结果分析 14

4.3预期改进 17

4.4 总结 17

第五章 致谢 18

参考文献： 18

双环等离激元共振结构的光力效应

摘要

早在100年以前，人们就认识到可见光照射到金属表面，会体现出很强的宽带吸收特性。这种现象的本质是光作为一种电磁波，当它打到金属表面后，会引起金属表面附近的自由电子集体震荡而后激发出新的局域场，这就是所谓的等离激元。众所周知，光通过介质时，介质会改变光的动量，由牛顿第二定律知介质会对光产生作用，相应地光也对介质产生反作用——光力。得益于激光的发展，40多年前美国贝尔实验室Ashkin等人利用光梯度力发明了光镊，可以稳定地在微米尺度上捕获和操纵微粒，近些年来，人们甚至发现利用光的散射，光可以对物质产生吸引力。局域共振将引起金属表面附近电磁场的极大增强，这使得通过局域等离激元产生束缚的光束来操控微粒成为可能。本文将主要以背景介绍、研究所需基本理论分析、研究现状以及个人研究过程及结果分析四个方面来展开讨论。

关键词：等离激元、电磁模拟、光力、纳米颗粒操控

THE ENHANCED OPTICAL FORCE PHENOMENON OF DOUBLE RING PLASMON RESONANCE

Abstract

As early as 100 years ago, people realized that visible light irradiation to the metal surface, it will show a strong broadband absorption. The essence of this phenomenon result from that light is an electromagnetic wave, when it hit the metal surface, will result to free electron of the metal surface collective shocking and inspire new local field, which was the so-called plasmon. As is known to all, light through the media, the media will change in the light of the momentum, by Newton's second law, we could know medium will offer light an special effect --optical force. Local resonance will lead to a great enhancement of the electromagnetic field near the metal surface, which makes it possible to manipulate the particles by the local plasmon. This paper will mainly introduce the background, the basic theory analysis, research status and personal research process and the results of the analysis.

Key words: Plamon, Electromagnetic simulation, Optical force, Nanoparticle manipulation

第一章 绪论

1.1 引言

传统的光学操控微观结构是利用光本身的动量改变产生的反作用力来操控颗粒，基于此原理的光镊在微米尺度上有着很大的应用。近些年来，基于等离激元在局域的光场增强引起科学家的兴趣，此种情况下，局域场有着很大的增强，对操控纳米结构有着很大的应用前景。本文主要基于三维电磁仿真软件CST模拟双圆等离激元共振结构激发的局域场来模拟对纳米颗粒的光力状况。

1.2 研究背景

（1）光学俘获和微观尺寸结构操控第一次发现是在1970年。从那以后，已经成功的在两个尺寸实现操控：纳米尺寸和微米尺寸，其中纳米尺寸是借助于光与原子，离子以及分子组成的纳米簇相干效应，微米尺寸借助于光的散射来操控微米尺寸的物体。但是这非常难以应用在纳米量级上的结构。而基于等离激元共振结构在纳米量级的结构上产生区域场，克服了光的衍射极限所导致的问题，因此等离激元结构在纳米量级操作上吸引了科学家的注意[2]。

(2)传统的光镊在微米量级上取得了广泛的应用，而对于现代生物学所需的操控生物大分子则显得无能为力，比如说，基因工程里的控制DNA分子链，血液分析其有害的病毒分子、有毒大分子结构，筛选组织中所需的有机大分子等等。而基于等离激元共振的新型光镊则在这方面有着巨大的应用前景。

（3）对于在纳米尺寸操控颗粒的其他方法，如利用分子间作用力，价格昂贵，大规模推广阻碍大，基于光镊的成功，人们设想利用光来控制颗粒，但由于光的衍射极限，很难直接利用激光来获得具有特殊梯度的光源。鉴于等离激元可以突破衍射限制，人们设想在平台上设计出大量的微观结构，利用特殊的光源激发，可以高效的控制颗粒并且可重复性强，价格也有可能比传统的原子力显微镜低廉，因此发展等离激元结构共振这个方向很有经济价值。

第二章 研究背景

在此部分我们主要介绍等离激元以及光力这两个基本概念，给出其基本的物理图像及他们的基本特点和规律，前一部分以等离激元为主，后一部分以光力为主。

2.1等离激元

当光照射到金属表面时，显然光不会像透明介质直接透射过去，也不会直接反射出去，而是在金属表面形成区域性的电磁场，这种电磁场与自由电子的共同振动称之为等离激元。具体产生的原因如下：表面等离激元(Surface Plasmons Polaritons--SPPs)是在金属与介质的界面处传播的电磁波，是由金属表面电荷的集体振荡与入射电磁场间相互作用产生的。由于电磁波对金属只有一定的穿透深度，电磁波只停留在金属表面传播，电场强度方向垂直于表面，金属内部仅有靠近表面很小一部分有电磁波，这就会使得激发而产生的电磁波会在金属表面得到一定的增强。如果利用麦克斯韦方程及边界条件，我们就可以求得SPP场分布以及色散特性，图表示TE型偏振光照射在介质与金属表面时，电磁波偏振方向以及折射、反射的特征。具体分析如图，电磁波照射到半无限的金属与介质所构成的平面上，在界面处会激发而产生电磁波，界面处的电场方向垂直于界面方向，对于波矢为k=(k_x,k_y,0)的TE波来说，可以得到其电磁场的数学表达式：

……①

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