一種雙蝶形銀納米光學天線的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及納米光學天線領域，更具體的說，是涉及一種雙蝶形銀納米光學天線。
【背景技術】
[0002] 金屬納米光學天線是一種可以將光波高效耦合到亞波長尺度的金屬納米光子器 件，它是利用金屬納米粒子的局域表面等離激元（Localized Surface Plasmons，LSPs)共 振這一獨特的光學性質實現(xiàn)了傳播場與局域場的相互轉換。當光波與金屬納米粒子耦合 時，其粒子中的自由電子會發(fā)生集體振蕩，當電子的振蕩頻率與入射光波的頻率一致時就 會產生LSPs共振，共振時能量被束縛在金屬表面附近，不僅實現(xiàn)了傳播場與局域場的相互 轉換，而且還激發(fā)出更強的局域電場?；贚SPs的金屬納米光學天線對電磁場具有場約 束、場增強以及重定向等作用，這些作用使金屬納米光學天線在眾多領域頗受青睞，如太陽 能利用、生物化學檢測器、高分辨率成像、癌癥治療等。但現(xiàn)有的光學天線大多不夠穩(wěn)定，且 產生的場強不足，在實際使用過程中造成諸多不便。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種雙蝶形銀納米光學天線， 本發(fā)明基于時域有限差分（Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD)算法和局域表面等 離激元理論分析了雙蝶形銀納米光學天線的不同參數(shù)大小如天線臂之間的夾角、天線臂長 度和不同的入射光極化方向對近場電場分布及近場場增強特性的影響，從而設計出工作在 光學頻段、具有較高局域場增強以及對入射光極化方向具有一定穩(wěn)定性的金屬納米光學天 線。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：
[0005] -種雙蝶形銀納米光學天線，包括設置在襯底上表面的天線臂，所述襯底由玻璃 介質構成，天線臂設置有四個，天線臂分別為相同的三角形結構，所述天線臂兩兩相對稱 的設置為雙蝶形，所述天線臂的長度范圍為50-100nm，所述相鄰天線臂之間的角度范圍為 15。一85° 〇
[0006] 所述襯底的規(guī)格尺寸為500nmX500nmX50nm。
[0007] 所述襯底的介電常數(shù)為1. 5。
[0008] 所述天線臂的厚度為40nm〇
[0009] 所述天線臂由銀納米材料構成。
[0010] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的技術方案所帶來的有益效果是：
[0011] 1.在垂直于襯底下表面的方向上施加激勵源，設定天線臂長度為80nm，厚度為 40nm，天線臂之間的夾角由15°逐漸遞增到85°，依據(jù)上述參數(shù)設定對本發(fā)明天線進行仿 真并選擇天線結構上表面的中心點為觀測點，記錄該點處的歸一化電場強度，可得到本發(fā) 明天線具有很強的電場增強效應，最大場增強出現(xiàn)在夾角為85°時，可以達到122. 2v/m; 隨著夾角的減小，電場增強的分布區(qū)域逐漸由天線中心轉移到了天線邊緣的四個角上，同 時天線上表面中心點處的共振電場強度隨之減小，由夾角85°時的122. 2v/m減小到了夾 角15°時的2. 4v/m;另外天線臂之間的耦合使得天線臂之間的間隙處也出現(xiàn)了電場增強。
[0012]2.在垂直于襯底下表面的方向上施加激勵源，設定天線臂之間的夾角為60°，厚 度為40nm，天線臂長度由50nm逐漸增大到100nm，增加間隔為10nm，依據(jù)上述參數(shù)設定對本 發(fā)明天線進行仿真并選擇天線結構上表面的中心點為觀測點，記錄該點處的歸一化電場強 度，通過仿真可得到隨著天線臂臂長的增加，共振時的共振波長隨之近似線性的增加，共振 時達到的歸一化電場強度總體上有增大的趨勢。
[0013]3.設置天線臂長度80nm，厚度40nm，天線臂之間的夾角為60°，激勵源所釋放的 入射光極化方向在襯底水平面上，與其水平方向的夾角巾分別取值0°、30°、45°、60°、 90°，根據(jù)不同的巾對本發(fā)明天線進行仿真后得知，在不同極化方向的入射光作用下，本 發(fā)明天線都會產生較強的電磁場增強，對入射光極化方向的變化表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明的俯視結構示意圖。
[0015] 圖2是本發(fā)明的側視結構示意圖。
[0016] 圖3(a)-圖3(f)是本發(fā)明天線臂之間的夾角變化對電場分布的影響效果圖。
[0017] 圖4是天線臂間夾角變化對共振電場強度的影響示意圖。
[0018] 圖5是天線臂臂長長度變化對共振電場強度的影響示意圖。
[0019] 圖6是天線臂臂長與共振波長的關系示意圖。
[0020] 圖7是天線臂臂長與共振電場強度的關系示意圖。
[0021] 圖8(a)-圖8(e)是激勵源所釋放入射光的極化方向對電場分布的影響效果圖
[0022] 附圖標記：1_襯底2-天線臂3-激勵源
【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述：
[0024] 如圖1所示，一種雙蝶形銀納米光學天線，包括襯底1和天線臂2,天線臂2設置 于襯底1的上表面，襯底1的規(guī)格尺寸為500nmX500nmX50nm，襯底1材料為玻璃介質，介 電常數(shù)為1.5,天線臂2設置有四個，均由銀納米材料構成，四個天線臂2均為相同的三角形 結構，天線臂2兩兩相對稱的設置為雙蝶形，所述天線臂的長度范圍L為50-100nm，所述相 鄰天線臂之間的角度范圍 0為15° -85°，天線臂2的厚度為40nm。
[0025] 通過時域有限差分算法和局域表面等離激元理論仿真分析本發(fā)明光學天線特 性：
[0026] 如圖2所示，激勵源3采用平面波，沿垂直于襯底1的下表面方向垂直入射到天線 臂2,計算波長范圍為500nm-2000nm，激勵源3所釋放入射光波長為800nm，入射光幅值為 lv/m，入射光的極化方向在襯底1水平面上，與其水平方向的夾角為<i>。計算中采用銀材料 作為金屬介質，為了更加準確地擬合可見光和近紅外波段銀的介電常數(shù)，我們選擇修正的 Drude色散模型：
[0027]
[0028] 其中，e"為頻率接近無窮大時的介電常數(shù)，《p為等離激元的震蕩頻率，Y為碰 撞頻率；根據(jù)光學手冊上的數(shù)據(jù)進行擬合計算，當e" = 3. 7、《p= 1. 38X 10 16rad/s、f = 2. 37X1013Hz時可以準確的反應銀（Ag)的介電常數(shù)。
[0029] 采用時域有限差分算法，計算區(qū)域采用真空的背景環(huán)境，計算區(qū)域設置為 2000 X 2000 X 2000nm3,超出計算區(qū)域，采用完全匹配層（PML)，來吸收外來波和避免非電磁 反射。在網格設置中，為了減小計算時間同時考慮到計算的準確性，本實施例采用自適應網 格加密。
[0030] 為了研宄天線臂2之間的夾角對近場電場分布的影響，設定入射光極化方向為水 平方向、天線臂長度L = 80nm、厚度40nm不變，天線臂之間的夾角角度0由15°逐漸遞增 到85°。依據(jù)上述參數(shù)的設定對本發(fā)明雙蝶形銀納米光學天線進行仿真并選擇天線結構上 表面的中心點為觀測點，記錄該點處的歸一化電場強度，仿真