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介质/金属-核/壳等离激元结构中光学三次谐波与荧光辐射的增强调控研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代光学领域，对光与物质相互作用的深入探究始终是核心课题之一。介质/金属-核/壳等离激元结构作为一种独特的纳米结构体系，近年来引发了科研人员的广泛关注，成为了纳米光子学领域的研究热点。

当光照射到金属微纳结构表面时，金属中的自由电子会与光子发生相互作用，进而产生集体振荡，形成表面等离激元。这种特殊的元激发具备高度局域场增强、亚波长尺度的光场限制以及与金属表面的强耦合等一系列优异特性，使其在众多领域展现出了巨大的应用潜力。传统光学理论在解释光与宏观物质相互作用时已较为成熟，但在纳米尺度下，由于金属微纳结构的特殊尺寸效应和量子效应，光与物质的相互作用呈现出许多新颖的特性，表面等离激元的研究为揭示这些特性提供了关键途径。通过深入研究表面等离激元的激发、传播、散射以及与周围介质的相互作用机制，能够进一步完善纳米光学理论体系，为后续的应用研究奠定坚实的理论基础。

在光电器件领域，表面等离激元的应用为实现高性能、小型化的光电器件提供了可能。传统发光二极管（LED）在提高发光效率和出光效率方面面临瓶颈，而引入金属微纳结构的表面等离激元后，可通过局域场增强效应有效地提高LED的发光效率，同时利用表面等离激元的亚波长光场限制特性，实现LED的小型化，从而满足现代光电子集成系统对器件小型化、高性能的需求。在光探测器方面，表面等离激元能够增强光与探测器材料的相互作用，提高探测器的灵敏度和响应速度，拓宽其响应光谱范围，对于发展高速、高灵敏度的光探测技术具有重要意义。

生物传感领域，表面等离激元的高灵敏度和特异性使其成为生物分子检测和生物医学诊断的有力工具。基于表面等离激元共振（SPR）的生物传感器能够实时、无标记地检测生物分子间的相互作用，通过检测表面等离激元共振波长或强度的变化，可精确测定生物分子的浓度、亲和力等参数。这种检测方法具有极高的灵敏度，能够实现单分子检测，在疾病早期诊断、生物制药、食品安全检测等方面具有广阔的应用前景。在癌症早期诊断中，利用表面等离激元生物传感器能够检测到血液或组织中微量的癌症标志物，为癌症的早期发现和治疗提供重要依据。

在众多等离激元结构中，介质/金属-核/壳结构因其独特的几何构型和光学性质，展现出了非凡的优势。该结构由内核的介质材料和外层的金属壳组成，通过合理选择和调控内核介质与金属壳的材料、尺寸以及结构参数，可以精确地调节等离激元的共振特性，进而实现对光场的有效调控。这种精确调控光场的能力，使得介质/金属-核/壳等离激元结构在增强与调控光学三次谐波和荧光辐射过程中发挥着关键作用。

光学三次谐波和荧光辐射作为重要的非线性光学过程和光致发光现象，在众多领域有着广泛的应用。三次谐波产生（THG）作为三阶非线性光学效应，能够产生频率为入射光三倍的新光波，在高分辨率成像、光学微加工、光通信等领域具有重要应用价值。通过增强三次谐波的产生效率，可以提高成像的分辨率和对比度，为生物医学成像、材料微观结构分析等提供更清晰、准确的信息；在光学微加工中，增强的三次谐波可用于实现更精细的材料加工和微纳结构制造。而荧光辐射则在生物标记、生物成像、荧光传感等生物医学领域以及照明、显示等领域扮演着不可或缺的角色。在生物标记和成像中，利用荧光辐射可以对生物分子、细胞等进行标记和成像，实时监测生物过程；在荧光传感中，通过检测荧光强度、波长等变化来实现对各种物质的高灵敏度检测。

深入研究介质/金属-核/壳等离激元结构中的光学三次谐波和荧光辐射过程的增强与调控，不仅有助于揭示等离激元与光场相互作用的深层次物理机制，进一步深化人们对光与物质相互作用在纳米尺度下的理解，完善纳米光学理论体系；还能够为新型光电器件的设计与开发提供理论指导和技术支持，推动光电器件向高性能、小型化、多功能化方向发展。在实际应用中，有望为生物医学检测与成像提供更灵敏、更精确的手段，促进生物医学领域的发展；为光通信、光计算等领域提供新的技术途径，满足现代信息技术对高速、大容量、低能耗的需求；在照明和显示领域，通过优化荧光辐射性能，提高照明效率和显示质量，为人们带来更好的视觉体验。

1.2研究现状

在介质/金属-核/壳等离激元结构的研究领域，科研人员已经取得了一系列令人瞩目的成果，这些成果为深入理解该结构的光学特性以及其在光学三次谐波和荧光辐射过程中的应用奠定了坚实基础。

在理论研究层面，众多学者运用多种理论方法对介质/金属-核/壳等离激元结构的光学性质展开了深入探究。有限元方法（FEM）和时域有限差分法（FDTD）等数值模拟手段被广泛应用，通过建立精确的物理模型，能够准确地模拟光在该结构中的