近场聚焦的纳米散射结构研究刘忱王海凤：为克服以近似理论分析为主的米氏散射方法在研究微粒粒径小于入射光波长情况下带来的局限性，采用了基于数值化模拟的有限时域差分〔FDTD〕方法对纳米级散射体微粒在近场聚焦光束下发生的聚焦作用进行仿真研究。以聚焦的线偏振光为光源，并将球形纳米空气粒子嵌入固态浸没透镜底面光束聚焦点位置，使用FDTD仿真软件模拟了纳米空气粒子附近的光强分布信息。通过改变相应的仿真条件，选出最适宜的纳米散射结构参数，实现了良好的聚焦成像效果。关键词：线偏振光;固态浸没透镜;米氏散射;聚焦;FDTD中图分类号：O436.2文献标志码：A引言近年来，近场纳米级光学器件在许多新兴的研究领域得到了关注，如近场显微镜U-Zl、负折射率材料、光子晶体、外表等离子体、固态浸没透镜。固态浸没透镜自1990年被提出以来，凭借其优良的特性，在近场光学存储、近场光刻、纳米结构器件的研究等领域得到了广泛应用。它的主要实现方式是在样本和物镜之间增加一种高折射率的半球形透明固体材料，以增加材料折射率的方式提升系统的分辨率。其中半球型的固态浸没透镜并没有改变原来的光路，并且样本点的位置也无需变动，因此实现起来较为方便。1908年，德国科学家GustavMie基于经典波动光学理论的麦克斯韦方程组和适当的边界条件，推导出了任意成分、任意粒径的均匀介质球形微粒在单色平面波照射下远场散射的严格数学解。经过100多年的开展，米氏散射理论得到了极大的开展，被广泛地应用到微粒检测技术、相位调制技术、辐射制冷技术等各个领域。本文采用在固态浸没透镜底部嵌入纳米空气粒子的仿真方式，使聚焦后的线偏振光与纳米空气粒子作用产生米氏散射，并研究不同的仿真参数对近场聚焦纳米散射结构聚焦能力的影响。1理论分析图1为球型微粒散射示意图，根据米氏散射理论，假设平面波沿z轴正向传播，电场振动方向和x轴平行，r为散射光观察点的位置矢量，位置矢量r和z轴组成的平面是散射面，距球形散射体中心r处P〔r，θ，ψ〕点的散射光强为传统的米氏散射理论适用于散射粒子的尺寸等于或大于入射光的波長，这种近似理论公式的分析方法有一定的局限性，由于理论研究的需要入射光一般被限制在均匀平面波范围。为研究在聚焦偏振光束下纳米级微粒对聚焦系统产生的影响，我们使用FDTD〔有限时域差分〕方法来计算散射问题，因其是数值化的分析方法，所以不会受到传统尺寸的限制。2仿真结构设计本文设计的仿真系统如图2所示，图中SIL是材质...
