1. 研究目的与意义（文献综述）

纳米光子学就是光子学与纳米科学和纳米技术融合，是当前国际前沿热点研究领域。空间隔离在相当大的程度上改变了光的传输和光与物质的相互作用。涉及光在纳米尺度上各方面新颖特性的研究(包括光的产生、传播、调制、转换和探测等), 是光物理学、材料科学、光学工程、纳米科学和技术等多学科交叉的产物。近场增强是决定表面增强拉曼和表面增强荧光等非线性光学效应的一个重要参数，它们在实验中所能得到的信号强度，很大程度上关系到金属纳米结构对光的增强系数。表面等离子体是局域在金属表面、沿表面传播的一种电磁波，通过构造金属表面的结构，可以在纳米尺度下控制表面等离子体的激发和传播——特别是它与光的相互耦合。这种可调控性在新型光子学，尤其是亚波长光子器件的设计应用方面极具潜力，目前如何有效进行表面等离子体的动态调控是重要的研究方向，最主要的就是实现基于表面等离子体效应的光开关。目前表面等离子体(surface plasmons，SPs)效应在光传感、光存储及生物光子学等领域的应用前景受到了广泛关注，通过计算模拟或实验基于SPs效应的光开关也层出不穷。1902年，R. W. Wood在实验中发现了金属光栅的衍射异常现象 ，在正常的衍射角分布谱中出现了新的衍射峰（谷），1907年Rayleigh在他的衍射理论中尝试解释这一现象 ，但是直到1941年U. Fano 才成功地将这一现象和先前1899-1909年由Zenneck和Sommerfeld提出的电磁表面波(electromagnetic surface wave)的理论 联系起来。衍射谱的峰(谷)实际上衍射模式和金属表面的 表面等离激元耦合过后的结果。在特定的衍射角度，当满足波矢匹配(也即光的动量守恒)条件时，光能量可以与表面等离激元能量互相转换，衍射谱图中也就相应的出现峰或谷。R.H. Ritchie注意到，当高能电子通过金属薄膜时，不仅在等离激元频率处有 能量损失，在更低频率处也有能量损失峰，并认为这与金属薄膜的界面有关。1959年，C. J. Powell和J. B. Swan通过实验证实了R. H. Ritchie的理论 。1960年，E. A. Stren和R.A. Farrel研究了此种模式产生共振的条件并首次提出了表面等离激元（Surface Plasmon，SP）的概念 。在纳米技术成熟之后，表面等离子体受到了人们极大的关注，从20世纪90年代起成为研究的热点。它已经被应用于包括生物化学传感，光电子集成器件多个领域。

2. 研究的基本内容与方案

设计基本内容：本论文将主要通过理论模拟的方式，设计一种具有双共振效应的金属纳米结构，使其纳米结构的消光频率与拉曼或者荧光的激发和发射频率一致，并分析纳米结构在特定波长下的电场分布情况和近场增强系数。

设计目标为：熟悉lumerical fdtd软件的使用，阅读文献并掌握表面等离子体理论的相关基础知识；利用lumerical fdtd设计完成金属纳米结构，获取结构的消光和近场光学效应，并探索该金属纳米结构的实际应用价值；了解具有双共振效应的金属纳米结构在表面增强拉曼和表面增强荧光中的应用。

技术方案：lumerical fdtd solutions是一款三维麦克斯韦方程求解软件，可以分析紫外、可见、红外至太赫兹和微波频率段电磁波与具有亚波长典型尺寸复杂结构的相互作用。我们将利用lumerical fdtd solutions软件设计一种金属纳米结构，调节复合结构中各组成部分的尺寸，如纳米颗粒的大小及中间隔层的材料及厚度，使其具有双共振特性，测试该结构的消光和近场光学效应，得出所设计结构的双共振光谱，并研究纳米结构光学性质与结构各参数之间的关系。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需的关于局域表面等离子体和所用的商业软件。确定方案，完成开题报告。

4. 参考文献（12篇以上）

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