CST纳米光学实例（2）- 激发态衰变，量子效率，SAM流程

激发态原子的寿命不仅是跟原子本身有关，也是其环境的函数。本案例中，我们在弱激发（无饱和）的情况下，研究单个分子的荧光率与激光照射的球形金纳米颗粒间距的函数。激发态的衰变可分为辐射（荧光）和非辐射（欧姆损耗/发热）路径。纳米发射器离金粒子表面越近，欧姆效应损失的相对能量就越大。如参考文献中所示，存在一定的间隙宽度，其中的综合效应导致荧光整体增加，场增强足以抵消金球吸收的重量能量损失。

使用纳米天线模板，只研究461.5THz：

添加金材料：

画个金球，半径R，初始可以是20纳米：

添加平面波，注意方向和极化，这里我们在Y+方向传播：

边界都是open add space，对称面与平面波极化一致：

作为主项目，我们添加gap参数用于一会参数扫描：

求解器激励平面波，计算一个频率：

仿真结束，查看电场，可见球的上下部位电场有增强效果。

这里模拟的是激光照射某些结构是可以产生局部强电场的现象。接下来我们将利用SAM流程，多个子任务相联的方法，研究该增强的电场对分子受激发跃迁发出荧光的影响。参数当然就是金球半径和金球与分子之间的距离。

先参数扫描半径看电场变化，进入电路图，添加扫描参数任务：

添加3D模型，一定要和主项目联系起来：

将三维任务拖进扫描任务：

下面设置三维场任务：

将WCS放在球顶，可用选点或移动R，这样WCS可以被参数R控制：

画一条三维直线：

出来更新子任务一次，这样可以得到电场：

回到子任务，后处理提取该直线上的电场：

回到主任务的电路图，添加第二个三维任务，这回我们添加分子发射结构：

设置三维之前，可添加第二个参数扫描任务：

将第二个扫描距离的任务放进第一个扫描半径的任务中，这样每个半径都可以拿到一条关于距离的曲线：

下面进入分子激发仿真设置，将WCS从原点移到R+gap，在这个位置画个1纳米高的偶极子天线，用来表示分子。其中心与球顶的距离便是gap。端口是5000欧姆高阻抗。建模细节就跳过了，提示就是画一个圆柱，blend边，然后中间切开。

边界改成磁边界对称：

由于天线较小，所以用比较小的最小网格加密：

提高曲面的表示弧度：

由于辐射能量非常小，F求解器激励端口1，还需要提高精度：

回到主任务电路图，同理，更新一次分子发射的三维任务，这样就可以有功率的结果了：

有了这个结果，我们就可以用后处理提取量子效率，将发射功率除以受激功率：

在将该1DC结果提取成0D结果，这样才能参数扫描画曲线，重命名为Qeff：

再次确保两个三维子任务的参数与主任务参数链接好：

下面我们添加后处理任务在第二个扫描任务下面：

改后处理PP1任务中添加三个后处理，先是场任务中的直线上的电场在gap的位置的场强：

然后将该场强平方，自动归一化，获得该处环境下的激发率(excitation rate)：

再将激发率与分子本身的量子效率相乘，得到荧光增效：

都设置好之后，更新Sweep1任务，这样全部的任务都计算：

简单解释一下这两个结果曲线，量子效率在金属球太近的情况下大幅降低，欧姆损耗严重，也就是发光能力下降；而金属球的电场场增强效果是距离越近越强，所以，存在某个合适的位置，激光入射，形成局部强电场，激发分子跃迁，达到发出荧光能力最强。

与文献结果和测量一致：

参考：Anger,P., Bharadwaj, P., & Novotny, L. (2006). Enhancement and Quenching ofSingle-Molecule Fluorescence. Physical Review Letters, 96(11).doi:10.1103/physrevlett.96.113002  

小结：

1.    想好扫描参数的逻辑关系和先后顺序，用SAM系统装配建模流程的子任务叠加方法，可以得到很多复杂的结果曲线。

2.    如果任务树中看不到某些结果，一般是需要update一次。

3.    分子或纳米天线可用高阻抗的偶极子表示，同时需要调高求解器精确度和加密网格。