一種具有雙單向性的光學(xué)納米天線及其設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種具有雙單向性的光學(xué)納米天線及其設(shè)計方法，所述光學(xué)納米天線的基本單元是由金屬?介電?金屬三明治型結(jié)構(gòu)組成的，在入射平面波的激發(fā)下，這種結(jié)構(gòu)會激發(fā)出兩種不同的表面等離子體共振模式：電偶極共振和磁偶極共振。通過多級分解的方法，本發(fā)明給出了達到前向散射和背向散射的廣義Kerker條件（即電偶極和磁偶極強度相當(dāng)）。此外，本發(fā)明還論證了這種納米天線對電偶極源遠場輻射特性的影響，對于陣列型金屬?介電?金屬納米結(jié)構(gòu)，偶極輻射源的激發(fā)位置對此天線是否具有雙單向性起著至關(guān)重要的作用。本發(fā)明對于納米光學(xué)器件的設(shè)計提供了一種理論基礎(chǔ)和參考標準。
【專利說明】
-種具有雙單向性的光學(xué)納米天線及其設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于微納光子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種可用于調(diào)節(jié)遠場方向特性的光學(xué) 微納天線及其設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無論在廣播，電視，遙感等一些日常生活，還是在科學(xué)研究領(lǐng)域，天線都已經(jīng)得到 比較廣泛的應(yīng)用，常規(guī)天線的工作波長是隨著其尺寸的變化而變化的。但是，光頻段天線的 實現(xiàn)就不能簡單地通過控制尺寸來達到，運是因為當(dāng)天線尺度達到納米級或者遠低于光學(xué) 衍射極限時其金屬納米構(gòu)件對可見近紅外部分光線的吸收W及量子尺寸效應(yīng)的影響不能 忽略。在光頻段由于透鏡面鏡等宏觀光學(xué)元件用來重定向波陣面而造成天線沒有被進一步 研究，因此必須尋找另一種途徑來實現(xiàn)光學(xué)天線。
[0003] Wessel等人基于金屬小顆粒也能有類似于傳統(tǒng)天線接收入射電磁波的性質(zhì)最早 提出光學(xué)天線的概念。隨后，Pohl等人對運種類似性進行系統(tǒng)的討論，通過比較近場光學(xué)探 針與傳統(tǒng)天線的相似性得出傳統(tǒng)天線理論可W應(yīng)用于近場光學(xué)。由于光學(xué)偶極子天線諧振 長度遠遠小于入射光半波長運與傳統(tǒng)天線理論相惇，Novotny等人提出有效波長的概念很 好地解決了該問題。進一步的工作把描述經(jīng)典天線特征如增益工作波長方向圖等參數(shù)引入 納米光學(xué)天線中把納米天線可操作性可表征性地融入到傳統(tǒng)天線理論框架，Engheta等人 引入了光阻抗的概念把光學(xué)納米天線及其介質(zhì)等效于一個由化C振蕩電路構(gòu)成的系統(tǒng)，從 概念上闡明直接通過改變介質(zhì)來調(diào)控光學(xué)天線進一步豐富了光學(xué)納米天線理論框架。納米 光學(xué)天線由于其獨特的光學(xué)性能廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)，太陽能利用，高靈敏度檢測器，非線 性光學(xué)，及光催化等領(lǐng)域成為一個新興的研究前沿。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出了一種具有雙單向性的光學(xué)納米天線的設(shè)計方法，該天線由金屬-介 電-金屬構(gòu)成的，在入射平面波的激發(fā)下，運種結(jié)構(gòu)會支持兩種不同的表面等離子體模式： 電偶極共振和磁偶極共振。通過多級分解的方法，本發(fā)明證明了無論是要達到前向散射和 背向散射，要實現(xiàn)廣義的Kerker條件必須是電偶極和磁偶極的強度相當(dāng)。此外，本發(fā)明還論 證了在偶極源福射下對運種納米天線遠場福射特性的影響，對于陣列的金屬-介電-金屬納 米結(jié)構(gòu)，偶極福射源的激發(fā)位置對此天線是否具有雙單向性起著至關(guān)重要的作用。本發(fā)明 對于納米光學(xué)器件的設(shè)計提供了一種理論基礎(chǔ)和參考標準。
[0005] 本發(fā)明的有益效果是：
[0006] 1.本發(fā)明提出的納米光學(xué)天線可W同時支持電共振和磁共振，我們利用多級分 解，更好的論證了無論在前向散射和背向散射，都必須遵循Kerker條件。
[0007] 2.本發(fā)明設(shè)計的光學(xué)天線，在不同波長會呈現(xiàn)出不同的福射方向性：即在某一工 作頻率實現(xiàn)單向前向散射，在另一工作頻率實現(xiàn)單向的后向散射。為天線設(shè)計提供了很好 的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。
【附圖說明】
[0008] 圖1是本發(fā)明的光學(xué)納米天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0009] 圖2(a)是本發(fā)明的光學(xué)納米天線的Gfb和Gfbi曲線圖；
[0010] 圖2(b)是本發(fā)明的光學(xué)納米天線在平面入射波激發(fā)下的前向散射和背向散射的 遠場分布圖；
[0011] 圖3(a)是將近場偶極源放置在其中一個金屬板的中間處的示意圖；
[0012] 圖3(b)是福射衰減率曲線圖；
[0013] 圖3(c)是光學(xué)納米天線在偶極源激發(fā)下的前向散射和背向散射的遠場分布圖和 近場分布圖；
[0014] 圖4(a)是電偶極源放置在經(jīng)過排列的兩個光學(xué)納米天線中間的示意圖；
[0015] 圖4(b)是兩個光學(xué)納米天線福射衰減率曲線圖；
[0016] 圖4(c)是兩個光學(xué)納米天線在偶極源激發(fā)下的前向散射和背向散射的遠場分布 圖；
[0017] 圖5(a)是電偶極源放置在經(jīng)過排列的兩個光學(xué)納米天線的外側(cè)的示意圖；
[0018] 圖5(b)是兩個光學(xué)納米天線福射衰減率曲線圖；
[0019] 圖5(c)是兩個光學(xué)納米天線在偶極源激發(fā)下的前向散射和背向散射的遠場分布 圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合【附圖說明】及【具體實施方式】對本發(fā)明進一步說明。
[0024] 其中，Px和Hiy分別代表此納米結(jié)構(gòu)在X方向上的電偶極矩和y方向上的磁偶極矩。
[0021] 本發(fā)明的光學(xué)納米天線具體的結(jié)構(gòu)如附圖1所示，整個天線的幾何尺寸為幾百個 納米，遠小于天線的工作波長，為深亞波長。天線由方塊形的金屬納米顆粒和介電質(zhì)按照金 屬-介電-金屬的形式構(gòu)成，所述金屬材料為貴金屬，例如金(Au)、銀(Ag)、銷金(Pt)。天線工 作在可見光和近紅外波段，支持局域表面等離子體共振，每個金屬顆粒都會激發(fā)出一個沿 著X方向的電偶極模式。當(dāng)兩個納米顆粒距離比較近的時候(例如，d=15nm)，由于有很強的 近場禪合導(dǎo)致兩個顆粒會發(fā)生雜化作用。雜化結(jié)果為同相位的Px模式和反相位的my模式。那 么，由多級散射公式(在本發(fā)明中，由于納米方塊比較小，所W僅僅激發(fā)出偶極模，激發(fā)出高 級的模式的非常弱，可W忽略），背向的微分散射界面和前向的前向的微分散射截面可W寫 成：
[00 剖 0)
[0023] (2) Einc I為入射平面波的能量系數(shù)。特別的，當(dāng)
的時候（即Real(Px) =real(my)， Imag(Px) = Imag(Hiy))，背向的散射能量消失，運就是需要滿足的Kerker條件來達到背散射 相消。由于Px和my均為復(fù)數(shù)，而且我們的材料只允許Px和my的虛部為正數(shù)，所W在公式（2) 中，不能達到前散射相消，只能是將前向散射達到最小值。
[0025] 本發(fā)巧吿父下玩場處的前向巧后向在遠場處的實際數(shù)值的比值
W此數(shù)值與
相 對比，來證明Kerker條件適用于本發(fā)明提出的光學(xué)納米天線，更高的模式（比如電四級，磁 四級或高級)在公式(1)和公式(2)中忽略不計。
[0026] 如附圖2(a)所示，我們發(fā)現(xiàn)Gfb和Gfbi在數(shù)值上和峰值位置上大致是相等的，并且G 值出現(xiàn)了兩個極值，分別為^ = 73 Inm為最小值和A = 774nm為最大值。圖2 (b)畫出了兩個極 值出的遠場能量分布圖，可W看出，A = 731nm后向散射;A = 774nm前向散射。由此，證明了本 發(fā)明的光學(xué)納米天線具有雙單向性。
[0027] 另外，本發(fā)明的納米天線對點偶極光源的福射特性也有一定的調(diào)制作用，附圖3和 附圖4闡述了本發(fā)明中設(shè)計的納米天線對于電偶極源的在遠場的福射特性的影響。
[0028] 首先，將近場偶極源放置在其中一個金屬板的中間處(其中一個方塊的的中間位 置），如附圖3(a)所示。通過計算得出了福射衰減率的大小如附圖3(b)所示，得到了兩個局 域表面等離子體的共振峰，分別在A = 750nm和A = 620nm，由附圖3 (C)可W明顯看出兩個共 振峰分別為兩個金屬板上的偶極在反相位和同相位的雜化，即磁偶極共振和電偶極共振。 但是在遠場福射特性上，此納米天線對于該位置處的偶極源在不同波長位置處只有前向散 射增強，并沒有后向散射增強的效果（同一天線在不同波長位置向前和向后散射出不同顏 色的光）。如附圖3(b)所示，Gra值并沒有負值。
[0029] 基于此，在原來天線的基礎(chǔ)上，增加了一個同樣的天線，兩個天線之間的距離為 lOOnm，縱向排列，將電偶極源放置在如附圖4(a)所示的位置處，觀測他們的遠場發(fā)生的變 化。從附圖4(b)可W看出，經(jīng)過排列的兩組天線，在如附圖4(a)所示位置處偶極源的激發(fā) 下，共振位置是沒有發(fā)生改變的，還是在A = 750nm和A = 620nm處，但是在遠場福射特性上發(fā) 生了很大的改變，運種排列的天線對近場源具有了雙單向性，而且比平面波的前向散射增 強和后向散射增強幅度更大(對比附圖2(a)和附圖4(b)，說明比平面波的雙向幅度更好）。 另外，在圖5中給出了電偶極子位置對本發(fā)明的天線單向性的影響，如在圖5(a)位置處的時 候，本發(fā)明的天線并沒有雙單向性(如圖5(c)所示）。
[0030] W上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發(fā)明的具體實施只局限于運些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可W做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的 保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種具有雙單向性的光學(xué)納米天線，其特征在于:所述天線由方塊形的金屬納米顆 粒和介電質(zhì)按照金屬-介電-金屬的形式構(gòu)成，所述天線為方塊形、材料為貴金屬;金屬納米 顆粒長度和寬度為100納米量級;天線的總體尺寸遠小于天線的工作波長，為深亞波長納米 天線。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)納米天線，其特征在于:每個納米顆粒在外場的激發(fā)下， 會產(chǎn)生局域表面等離子體共振。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)納米天線，其特征在于:兩個顆粒發(fā)生雜化，同時支持兩 種共振模式:同相位雜化形成的電偶極和反相位雜化形成的磁偶極。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)納米天線，其特征在于:所述貴金屬材料為金。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)納米天線，其特征在于:所述天線的工作波長為可見光或 近紅外工作頻段對應(yīng)的波長。6. -種具有雙單向性的光學(xué)納米天線，其特征在于:所述天線包括至少兩個如權(quán)利要 求1-5任一項所述的光學(xué)納米天線，兩個天線之間的距離為100nm。7. -種權(quán)利要求1-6任一項所述的光學(xué)納米天線的設(shè)計方法，其特征在于:所述天線滿 足Kerker條件，天線的電偶極和磁偶極的強度相當(dāng)。
【文檔編號】B82Y20/00GK105846073SQ201610305167
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月10日
【發(fā)明人】肖君軍, 張小明, 秦菲菲, 張強, 劉真真
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院