新疆师范大学 物理与电子工程学院 新疆 乌鲁木齐 830054
为了深入研究波导光栅中电磁波的传输特性, 本文以布拉格光栅为例, 从光场的波动方程出发得到了光栅的耦合模方程, 进而通过求解耦合模方程得到表征光栅特性的2×2矩阵。针对均匀布拉格光栅和取样光栅, 采用MATLAB数值模拟方法研究了各个参数对其反射谱和透射谱的影响。结果表明, 光栅长度、有效折射率以及耦合强度会影响均匀布拉格光栅反射谱和透射谱的峰值、位置和宽高, 光栅段长度、空白段长度以及周期数目会导致取样光栅反射谱的反射峰间隔增减和各级峰值的变化。相关仿真分析可以为光纤光栅传感、分布式布拉格反馈(DBR)激光器、光栅滤波器等设计应用提供理论支撑。
耦合模方程 布拉格光栅 电磁波传输特性 coupled-mode equations Bragg grating electromagnetic wave transfer characteristic 量子光学学报
2023, 29(4): 040501
1 新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆 乌鲁木齐 830054
2 新疆矿物发光材料及其微结构重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830054
等高线相交法是用于反演微小颗粒复折射率的一种新方法，目前利用该方法反演纳米颗粒复折射率的研究未见报道。以Au纳米球为研究对象，探讨了等高线相交法在纳米颗粒复折射率反演问题中的可行性和可靠性。利用Mie理论和介电函数尺寸修正模型计算得出Au纳米球的光散射和光吸收特性与复折射率的对应关系，结合等高线相交法反演获得颗粒复折射率，给出了等高线相交法出现多个有效解时确定唯一解的后向散射效率约束方式并定量分析了复折射率步长、颗粒尺寸及测量误差等因素对反演结果的影响。最后，与传统迭代法的反演精度进行对比分析，结果表明：Au纳米球对光的散射和吸收效率可以利用等高线相交法反演得到准确的复折射率；当测量误差小于5%时，可以确保反演结果的准确性；同等条件下等高线相交法反演的结果优于迭代法。此研究为Au纳米球复折射率的测量提供简单可靠的反演方法。
Mie理论 等高线相交法 Au纳米球 复折射率 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2116003
新疆师范大学物理与电子工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830054
贵金属纳米颗粒具有局域表面等离子体共振特性而引起了广泛的关注, 其中Au-Ag合金纳米颗粒具有良好的结构稳定性、 光热性能以及潜在的抗癌功效而得到普遍研究。 在众多应用中的特性与其粒径和浓度密切相关, 然而目前常用的电子显微镜观察法和动态光散射法不能同时获得粒径和浓度信息, 因此采取有效手段测量颗粒粒径和浓度信息至关重要。 基于光谱消光法, 利用非负的Tikhonov正则化方法解决反演问题, 并根据Mie理论计算消光矩阵。 针对噪声问题, 采取两种情况研究多分散Au-Ag合金纳米球粒径分布与浓度的反演问题。 未添加噪声情况下, 颗粒系Ⅰ的反演相对误差小于颗粒系Ⅱ, 在波长范围300~500 nm之间的反演相对误差最小, 对应平均粒径、 粒径标准差和颗粒数浓度的反演相对误差分别为0%,-0.03%和0%。 添加随机噪声情况下, 将0.5%和1.0%的随机噪声添加进颗粒系Ⅰ中的消光谱, 经过数据比较发现在波长范围200~600 nm之间的反演相对误差最小。 当添加0.5%的随机噪声时, 粒径分布、 粒径标准差和颗粒数浓度的变化范围分别为79.76~80.15 nm, 5.60~6.61 nm和0.995 8×1010~1.005 9×1010个·cm-3; 当添加1.0%的随机噪声时, 粒径分布、 粒径标准差和颗粒数浓度的变化范围分别为78.87~80.27 nm, 5.36~9.00 nm和0.992 4×1010~1.027 7×1010个·cm-3。 反演结果随着随机噪声的增大, 变化范围也明显增大即反演相对误差增大, 并且每次添加相同随机噪声后的反演结果不同。 为了减少随机噪声导致的不稳定性, 对100次反演结果进行平均得到平均粒径、 粒径标准差和颗粒数浓度。 当随机噪声从0.5%增大至1.0%时, 其反演结果的相对误差均增大, 但是反演得到的粒径分布、 粒径标准差和颗粒数浓度相对误差均小于6%, 这说明通过反演算法得到的反演结果具有较好的稳定性。 研究表明, 光谱消光法为反演多分散Au-Ag合金纳米球粒径分布与浓度提供了一种简单、 快速的表征手段, 也对研究非球形纳米颗粒有启示作用。
消光法 光谱分析 复合纳米材料 局域表面等离子体共振 Mie理论 Tikhonov正则化 Light extinction Spectroscopic analysis Nanocomposites Localized surface plasmon resonance Mie theory Tikhonov regularization 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3039
1 新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆 乌鲁木齐 830054
2 新疆矿物发光材料及其微结构重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830054
基于Mie理论分析单分散Au-Ag合金纳米球消光特性随粒径和波长的变化情况。在理论计算中，根据金属纳米颗粒中自由电子平均自由程的缩短效应对Au-Ag合金纳米颗粒的介电函数进行修正。基于消光特性提出了三种确定粒径和浓度的拟合公式，包括共振波长法、双波长消光法和改进的双波长消光法。结果表明，只要测得颗粒的消光谱，就能利用拟合公式反演颗粒的粒径和浓度。此外，对比三种方法的灵敏度和粒径范围发现，相比其他方法，共振波长法的原理更简单、速度更快。
散射 Mie理论 消光法 Au-Ag合金纳米球 局域表面等离激元共振 反演 激光与光电子学进展
2022, 59(7): 0729001
1 新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆 乌鲁木齐 830054
2 新疆矿物发光材料及其微结构重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830054
为了寻找单个Au纳米球壳在连续激光激发下的最大表面温度变化及对应的颗粒最优尺寸，利用Mie理论、介电函数尺寸修正模型和热方程定量研究了波长、内核半径和外壳厚度对单个Au纳米球壳光热特性的影响。首先，通过改变Au纳米球壳的内核半径及外壳厚度调节共振峰的大小和位置，并得到所需的颗粒表面温度变化情况。然后，针对颗粒光热特性的应用，给出近红外波段内四个典型波长（800，808，820，1064 nm）下单位入射光强度的最大颗粒表面温度变化量γmax及对应的颗粒最优尺寸。最后，给出了上述波长下单位入射光强度的颗粒表面温度变化量大于0.9γmax的颗粒尺寸分布。该研究对光热治疗、等离子体辅助光催化以及颗粒制备等方面的研究具有重要意义。
散射 Mie理论 Au纳米球壳 介电函数 光热特性 优化 激光与光电子学进展
2022, 59(7): 0725001
1 新疆师范大学物理与电子工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830054
2 中国科学院新疆天文台, 新疆 乌鲁木齐 830011
3 新疆师范大学新型光源与微纳光学实验室, 新疆 乌鲁木齐 830054
金属纳米颗粒具有局域表面等离子共振效应,由于其独特的光学特性、易控的表面化学能力和优良的生物相容性,被广泛应用于生物成像领域。针对旋转对称金纳米颗粒(金纳米旋转椭球、纳米圆柱和纳米棒)在生物成像中的应用,利用T矩阵方法和介电函数尺寸修正模型,研究了旋转对称金纳米颗粒的共振后向光散射特性,获得了最优后向光散射特性及对应的最佳尺寸参数。考虑了生物成像中使用的三个典型激发波长(830,840,900 nm),结果表明,纵横比为3.7、长度为146 nm的金纳米旋转椭球在入射光波长900 nm处具有最优的后向光散射特性。此外,分析了入射光波长和生物组织折射率对优化结果的影响,结果表明,优化后的三种旋转对称金纳米颗粒的体积后向散射系数和尺寸参数随入射光波长的增大而增大,随组织折射率的增大而减小。最后给出了体积后向散射系数大于其最大值的90%时对应的尺寸参数范围。研究结果为三种旋转对称金纳米颗粒在生物成像中的应用提供了理论指导。
散射 后向光散射 局域表面等离激元共振 生物成像 T矩阵方法 优化 光学学报
2021, 41(23): 2329001
1 新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆 乌鲁木齐 830054
2 新疆师范大学新型光源与微纳光学重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830054
基于Au纳米颗粒的稳定性、无毒性、生物相容性和Ag纳米颗粒优异的消光特性，Au-Ag合金纳米颗粒在生物传感中存在着潜在的应用价值。为了能找到传感性能更好的合金纳米颗粒，本文利用双层球Mie散射理论和介电函数尺寸修正模型定量研究了Au-Ag合金纳米球壳的尺寸参数对折射率灵敏度、半峰宽和品质因子的影响，获得了最佳品质因子和对应的优化尺寸。同时，本文研究了Au摩尔分数对最佳品质因子和优化尺寸的影响。结果发现，当Au摩尔分数x为0.5时，Au-Ag@SiO2（Au-Ag@Vacuum）合金纳米球壳的最大品质因子为2.09（2.20），对应的内核半径和外壳厚度分别为22.3 nm（23.6 nm）和8.7 nm（6.9 nm）。当Au摩尔分数小于0.25时，Au-Ag合金纳米球壳的品质因子优于Au纳米球壳。随着Au摩尔分数的减小，品质因子增大，甚至是Au纳米球壳的2~3倍。此研究为Au-Ag合金纳米球壳在生物传感领域中的有效应用提供了理论指导。
Au-Ag合金纳米球壳 Mie理论 传感 品质因子 局域表面等离激元共振 Au-Ag nanoshell Mie theory Sensing Figure of Merit Localized Surface Plasmon Resonance
1 新疆师范大学物理与电子工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830054
2 新疆师范大学新型光源与微纳光学重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830054
为了找到光吸收和后向散射特性更好的纳米球壳,利用双层同心球的Mie散射理论和介电函数的尺寸修正模型定量分析了Au-Ag合金纳米球壳的内核半径、外壳厚度、合金成分和周围介质对光吸收和后向散射特性的影响。结果表明,当Au的摩尔分数为50%,步距为0.01 nm,内核分别为SiO2和真空情况时,Au-Ag合金纳米球壳的体积吸收系数最大值分别为93.660 μm -1和99.316 μm -1时,内核半径分别为27.89 nm和28.02 nm,外壳厚度分别为3.95 nm和3.35 nm;后向散射系数的最大值分别为5.280 μm -1和5.550 μm -1时,内核半径分别为56.08 nm和56.37 nm,外壳厚度分别为10.47 nm和8.89 nm。此外,当Au的摩尔分数小于9%时,Au-Ag合金纳米球壳的光吸收特性优于Au纳米球壳;当Au的摩尔分数小于11%时,Au-Ag合金纳米球壳的后向散射特性优于Au纳米球壳。
光谱学 光吸收与后向散射 Au-Ag合金纳米球壳 Mie散射理论 局域表面等离激元共振 光学学报
2021, 41(11): 1129001
1 新疆师范大学物理与电子工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830054
2 新疆师范大学新型光源与微纳光学重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830054
针对金纳米旋转椭球在光热治疗和生物成像中的应用,利用T矩阵方法和介电函数尺寸修正模型,从理论上定量研究金纳米旋转椭球的共振光吸收与散射特性,对金纳米旋转椭球的尺寸参数进行优化,获得最优的短半轴与长半轴。对于光热治疗中的常用波长,在特定尺寸参数范围内优化的金纳米旋转椭球在波长1064 nm处具有最大的吸收特性;对于生物成像中的常用波长,在特定尺寸参数范围内优化的金纳米旋转椭球在波长1310 nm处具有最大的散射特性。与金纳米球壳的优化结果对比发现,金纳米旋转椭球在光热治疗和生物成像的应用中比金纳米球壳具有明显的优势。
散射 光吸收与散射 优化 T矩阵方法 光热治疗 生物成像
西安电子科技大学 理学院，陕西 西安 710071
基于会聚光束所产生的扭矩来实现对小粒子的操纵已在物理学、生物学等领域得到了广泛的应用。为了分离出单个散射过程对扭矩的贡献，给出扭矩物理机理的解释，本文引入德拜级数分析了高斯波束对均匀球粒子所产生的扭矩。计算表明，当德拜项p从1取到一个足够大的值后，德拜级数计算结果与广义米氏理论结果吻合。文中重点分析了单阶p散射过程对横向扭矩的贡献，结果表明：当线极化光束入射时，p=1~5散射过程都可以产生横向扭矩，但扭矩的方向不同; 当圆极化光束入射时，p=-1和0对应的扭矩远大于p=1~4对应的扭矩，且p=0过程产生与其他p过程相反方向的扭矩。
辐射扭矩 德拜级数 高斯光束 光钳 角矩 radiation torque Debye series Gaussian beam optical tweezer angular momentum
