贵金属纳米聚集粒子系的热辐射特性及其对半透明介质的强化光热效应研究

本申请从电磁学基本理论入手，通过实验测量与精确求解Maxwell方程组相结合的技术路线，首先构建能够准确预测多种形态贵金属聚集纳米粒子系辐射特性的数值模型，分析不同尺寸、不同形状、不同的聚团结构等参数对纳米贵金属聚集粒子系辐射特性的影响规律；其次，发展能够对热辐射传输、非傅里叶导热和微尺度相变过程进行耦合求解的无网格计算方法，对短脉冲激光入射条件下包含纳米贵金属聚集粒子的半透明介质内的传热过程进行全面而准确地数值模拟，调查金属聚集粒子的尺度参数、聚集结构及激光照射参数等对介质辐射传输和温度场的影响，揭示贵金属聚集粒子对半透明介质的强化光热效应作用机理，为红外光学成像和激光组织热疗技术的深入与拓展提供基础数据和理论支持。

本课题基本遵照申请书年度研究计划和研究内容进行，仅就研究方案中的个别研究方法和研究对象做出了必要调整。总体来说，顺利完成了计划书中规定的研究内容，达到了预定的研究目标。课题取得了较为丰富的研究成果，已发表研究论文9篇，其中SCI、EI检索论文5篇，参加国内外学术交流3次，培养研究生1名。.主要研究成果体现为以下四个方面：.1）建立了实验测量系统，对典型的Au纳米杆粒子的辐射特性进行了测量。揭示了粒子尺寸、形貌、浓度等参数对其辐射特性的影响，课题发展的测量方法，不仅丰富了该领域的实验测量和相关数据，也为含纳米粒子的半透明溶液在激光辐照条件下的传热模型研究提供了物性数据。.2）建立了基于时域有限差分法的粒子辐射特性预测模型，能够对任意形貌的粒子辐射特性做出准确预测。研究发现该方法不仅能够对单一粒子的辐射特性进行预测，也可以通过其研究粒子间的表面等离子共振效应的耦合作用。.3）采用前述的数值模型，对有序聚集粒子的辐射特性进行了研究，分析了粒子尺寸、形貌、聚集结构、入射光源偏正方向、基底材料折射率等参数对其辐射特性的影响规律。研究发现，不同光源偏振方向和粒子聚集结构能够显著影响贵金属纳米粒子的辐射特性和场增强效应空间分布。在偏振方向有利于两粒子间的等离子共振发生耦合的条件下在两粒子的中间位置处会产生较强的场增强效应。.4）发展了基于有限元的数值计算模型，能够较为准确地模拟激光入射条件下含纳米粒子的半透明介质内的耦合传热过程，并通过扩散综合加速（DSA）的迭代方法提高了耦合传热计算的求解效率。.课题揭示了贵金属聚集粒子辐射特性的调制规律及其对半透明介质强化光热效应的传热学机理，取得的研究成果为红外光学成像和激光组织热疗技术的深入与拓展提供了基础研究数据和理论支持。