随着近场光学显微镜的发明和纳米技术的发展,人们对金属有了新的认识,近年来,人们越来越多地关注金属纳米结构的光学性质,并开创了一个全新的研究方向:表面等离激元学(Plasmonic)。由于金属材料的介电常数在可见光和红外波段为负数,当光入射到金属与介质分界面时,金属表面的自由电子随电场振荡,如果电子的振荡频率与入射电磁波的频率一致就会产生共振,这时就形成一种特殊的电磁模式:表面等离激元(SPPs)。由于SPPs的强局域特性可以突破衍射极限、减小拐角散射并且在纳米尺度上进行传播,有可能制造出亚波长的光学器件并实现电路与光路的一体化,因此具有广泛的应用前景,例如亚波长光学、光存储、新型芯片、光刻蚀和生物光学等。光天线是一种由金属纳米微粒构成的,由于SPPs作用,可以有效地将自由空间中的辐射能量耦合在亚波长尺度空间内的装置。光天线的研究对于近场光学显微镜的发展,提高光存储能力,太阳能的利用等都有很大的促进作用。本文主要研究了单粒子光天线和双粒子光天线的近场电场增强和远场辐射的性质,选择两种不同结构:纳米棒和椭球体,作为构成光天线的基本结构。本论文的主要内容分为以下四个部分:(1)在论文的第一章介绍了本论文的研究背景和研究意义。本章首先介绍了表面等离激元和光天线的发展历史、研究现状,然后介绍了本文的研究目的及意义,最后介绍本文的研究内容。(2)在论文的第二章详细介绍了时域有限差分(FDTD)方法。本章开始部分简要介绍了光学仿真中常用的几种数值分析方法,并比较了各种方法的优缺点;然后对FDTD基本算法进行了详细讨论,介绍了FDTD算法的中心差分迭代公式,对FDTD算法中的PML吸收边界条件、激励源的设置、数值稳定性等相关内容进行了讨论;最后对金属材料的色散模型进行了介绍,并拟合出合适的Drude金属模型参数。(3)在论文的第三章对单粒子和双粒子光天线的近场性质进行了分析。本章分别讨论单粒子光天线和双粒子光天线的不同参数对近场电场影响,仿真结果表明,选择合适的结构尺寸和入射波长可以改变纳米金属光天线表面的能量分布,使近场局域电场强度可以增强数百倍。(4)在论文的第四章对单粒子和双粒子光天线的远场性质进行了分析。本章分别讨论单粒子光天线和双粒子光天线的不同参数对远场辐射的影响,计算结果表明,不同的结构参数可以影响单粒子光天线的辐射方向,而对双粒子光天线的远场辐射方向没有影响,选择合适结构尺寸可以提高光天线的辐射效率和辐射强度。综上所述,本论文应用FDTD方法较为全面深入地研究了纳米金属光天线的近场和远场特性,对于实际光天线的设计和制造具有理论指导意义和很大的参考价值。