Mie散射_表面增强Raman散射_FDTD_(2)

表面强化Raman散射

拉曼散射是光子的非弹性散射，这意味着散射的光子将具有与激发不同的频率。当散射分子在纹理表面上时，拉曼散射可以大大增强（因此称为表面增强拉曼散射（SERS））。直接模拟这种非线性拉曼散射是相当具有挑战性的（正如大多数非线性过程一样）。FDTD仿真通常用于测量散射增强。这可以通过线性模拟完成，使计算更容易设置和分析。在线性仿真中，增强因子（EF）通常定义为（E/E0）^4，其中E为局部最大电场，E0为输入源电场的幅值。在下面的应用示例中，我们将测量光滑银表面上铂纳米颗粒附近的局部增强因子。

在适当的条件下，金属纳米粒子和等离子体表面都能产生局域表面等离子体和表面等离子体激元（SPP）。当这两个几何物体非常接近但不接触时，它们表面等离子体之间的建设性干涉会在间隙内的“热点”处产生巨大的场强。间隙的典型尺寸为几纳米甚至更小。要解析如此小的间隙所需的精细网格会导致巨大的内存需求和漫长的模拟时间。我们使用 TFSF 源，并仅模拟结构的一小部分，以找到可能的最大电场增强因子（EFs）。

模拟设置与结果

在此示例中，铂粒子的半径为 40 纳米。该粒子位于银基底上方 1 纳米处。粒子与表面之间的相互作用会在粒子几乎接触表面的地方产生强烈的局部场增强。为了分辨如此微小的间隙，我们使用名为“mesh_gap”的网格覆盖，其在 z 方向的网格尺寸为 0.4 纳米，在 xy 平面为 1 纳米（见提示）。我们还使用另一个较粗的覆盖来强制在粒子其余部分周围使用 5 纳米的网格。

对于 z 最小值边界，使用金属边界条件而非 PML，以帮助减少内存需求，因为场不会渗透到 z 最小值边界。使用“xz”和“yz”剖面监视器在 50 个频率点记录局部场分布。运行此模拟后，运行脚本文件 sers_pt_ag.lsf 来计算增强因子（E^4）。以下各图展示了 XZ 平面内的 E^4。粗略模拟在一台性能不错的计算机上大约运行 10 分钟，需要约 550MB 内存。对于更高精度的模拟（z 方向间隙网格 0.2 纳米，x/y 方向间隙网格 0.5 纳米），内存需求增加到约 2GB，运行时间增加约 5 倍。

增强因子图像

电场强度：

2.1.2 代码分析

# sers_pt_ag.lsf