自发辐射研究一直是量子光学领域的热点课题,自发辐射控制在设计纳米天线,双曲线超材料,发光二极管,太阳能电池等各种光学元件和器件中起着重要的作用。抑制不需要的自发发射和提高所需的功率将推动新兴光学设计的发展。如何调制自发辐射对于量子光学新技术的探索和开发至关重要。Purcell在1946年首先证明了量子发射体的自发辐射不是原子本身的固有属性,可以被量子发射体周围的纳米结构环境所改变。随后人们利用金属纳米粒子结构和光子晶体腔控制调谐原子的自发辐射。根据电磁场的真空涨落理论,在非均匀介质中的原子或分子会自发的向外辐射光子,因此不同的金属纳米结构对自发辐射具有调制作用即通过改变原子周围的电磁环境来改变局态密度从而控制自发辐射。本文着重分析了金属纳米结构对自发辐射的控制。金属结构中自发辐射率的大小以及峰值的位置是由金属材料本身的参数和结构决定的,很难实现位置可调以及进一步的增强。论文研究原子在金属结构中的自发辐射时引入单层石墨烯薄膜,利用石墨烯特殊的光电特性来调控原子的自发辐射率。推导了局态密度与自发辐射率的格林函数表示形式,并结合频域有限差分方法的数值模拟。研究的理论结果可以为新型纳米器件及光电子设备的制造和优化提供参考。本文的主要研究工作如下:1.简单阐述了自发辐射以及自发辐射控制的基本理论,包括自发辐射研究的发展历程、自发辐射的原理以及调制自发辐射的几种方式。并推导了二维自发辐射率的格林函数表达式。2.主要介绍了 FDFD方法的基本理论知识,与FDTD方法相比,在处理频域问题、色散媒质问题中存在着较大的优势。将FDFD方法运用到自发辐射的研究中,用FDFD方法对自发辐射的亥姆霍兹方程进行处理,结合介电常数计算不同金属材质以及含石墨烯金属结构下的自发辐射率。3.计算不同的光子晶体矩阵对自发辐射的抑制作用。以及在金属纳米结构中引入单层石墨烯,利用石墨烯特殊的光电特性来调控原子的自发辐射。