CN105846073A - 一种具有双单向性的光学纳米天线及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种具有双单向性的光学纳米天线及其设计方法，所述光学纳米天线的基本单元是由金属‑介电‑金属三明治型结构组成的，在入射平面波的激发下，这种结构会激发出两种不同的表面等离子体共振模式：电偶极共振和磁偶极共振。通过多级分解的方法，本发明给出了达到前向散射和背向散射的广义Kerker条件（即电偶极和磁偶极强度相当）。此外，本发明还论证了这种纳米天线对电偶极源远场辐射特性的影响，对于阵列型金属‑介电‑金属纳米结构，偶极辐射源的激发位置对此天线是否具有双单向性起着至关重要的作用。本发明对于纳米光学器件的设计提供了一种理论基础和参考标准。

Description

一种具有双单向性的光学纳米天线及其设计方法
技术领域
本发明属于微纳光子学技术领域，尤其涉及一种可用于调节远场方向特性的光学微纳天线及其设计方法。
背景技术
无论在广播，电视，遥感等一些日常生活，还是在科学研究领域，天线都已经得到比较广泛的应用，常规天线的工作波长是随着其尺寸的变化而变化的。但是，光频段天线的实现就不能简单地通过控制尺寸来达到，这是因为当天线尺度达到纳米级或者远低于光学衍射极限时其金属纳米构件对可见近红外部分光线的吸收以及量子尺寸效应的影响不能忽略。在光频段由于透镜面镜等宏观光学元件用来重定向波阵面而造成天线没有被进一步研究，因此必须寻找另一种途径来实现光学天线。
Wessel等人基于金属小颗粒也能有类似于传统天线接收入射电磁波的性质最早提出光学天线的概念。随后，Pohl等人对这种类似性进行系统的讨论，通过比较近场光学探针与传统天线的相似性得出传统天线理论可以应用于近场光学。由于光学偶极子天线谐振长度远远小于入射光半波长这与传统天线理论相悖，Novotny等人提出有效波长的概念很好地解决了该问题。进一步的工作把描述经典天线特征如增益工作波长方向图等参数引入纳米光学天线中把纳米天线可操作性可表征性地融入到传统天线理论框架，Engheta等人引入了光阻抗的概念把光学纳米天线及其介质等效于一个由RLC振荡电路构成的系统，从概念上阐明直接通过改变介质来调控光学天线进一步丰富了光学纳米天线理论框架。纳米光学天线由于其独特的光学性能广泛应用于生物医学，太阳能利用，高灵敏度检测器，非线性光学，及光催化等领域成为一个新兴的研究前沿。
发明内容
本发明提出了一种具有双单向性的光学纳米天线的设计方法，该天线由金属-介电-金属构成的，在入射平面波的激发下，这种结构会支持两种不同的表面等离子体模式：电偶极共振和磁偶极共振。通过多级分解的方法，本发明证明了无论是要达到前向散射和背向散射，要实现广义的Kerker条件必须是电偶极和磁偶极的强度相当。此外，本发明还论证了在偶极源辐射下对这种纳米天线远场辐射特性的影响，对于阵列的金属-介电-金属纳米结构，偶极辐射源的激发位置对此天线是否具有双单向性起着至关重要的作用。本发明对于纳米光学器件的设计提供了一种理论基础和参考标准。
本发明的有益效果是：
1.本发明提出的纳米光学天线可以同时支持电共振和磁共振，我们利用多级分解，更好的论证了无论在前向散射和背向散射，都必须遵循Kerker条件。
2.本发明设计的光学天线，在不同波长会呈现出不同的辐射方向性：即在某一工作频率实现单向前向散射，在另一工作频率实现单向的后向散射。为天线设计提供了很好的理论基础和技术支持。
附图说明
图1是本发明的光学纳米天线的结构示意图；
图2(a)是本发明的光学纳米天线的GFB和GFB1曲线图；
图2(b)是本发明的光学纳米天线在平面入射波激发下的前向散射和背向散射的远场分布图；
图3(a)是将近场偶极源放置在其中一个金属板的中间处的示意图；
图3(b)是辐射衰减率曲线图；
图3(c)是光学纳米天线在偶极源激发下的前向散射和背向散射的远场分布图和近场分布图；
图4(a)是电偶极源放置在经过排列的两个光学纳米天线中间的示意图；
图4(b)是两个光学纳米天线辐射衰减率曲线图；
图4(c)是两个光学纳米天线在偶极源激发下的前向散射和背向散射的远场分布图；
图5(a)是电偶极源放置在经过排列的两个光学纳米天线的外侧的示意图；
图5(b)是两个光学纳米天线辐射衰减率曲线图；
图5(c)是两个光学纳米天线在偶极源激发下的前向散射和背向散射的远场分布图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明的光学纳米天线具体的结构如附图1所示，整个天线的几何尺寸为几百个纳米，远小于天线的工作波长，为深亚波长。天线由方块形的金属纳米颗粒和介电质按照金属-介电-金属的形式构成，所述金属材料为贵金属，例如金(Au)、银(Ag)、铂金(Pt)。天线工作在可见光和近红外波段，支持局域表面等离子体共振，每个金属颗粒都会激发出一个沿着x方向的电偶极模式。当两个纳米颗粒距离比较近的时候(例如，d＝15nm)，由于有很强的近场耦合导致两个颗粒会发生杂化作用。杂化结果为同相位的px模式和反相位的my模式。那么，由多级散射公式(在本发明中，由于纳米方块比较小，所以仅仅激发出偶极模，激发出高级的模式的非常弱，可以忽略)，背向的微分散射界面和前向的前向的微分散射截面可以写成：
其中，px和my分别代表此纳米结构在x方向上的电偶极矩和y方向上的磁偶极矩。|Einc|为入射平面波的能量系数。特别的，当的时候(即Real(px)＝real(my)，Imag(px)＝Imag(my))，背向的散射能量消失，这就是需要满足的Kerker条件来达到背散射相消。由于px和my均为复数，而且我们的材料只允许px和my的虚部为正数，所以在公式(2)中，不能达到前散射相消，只能是将前向散射达到最小值。
本发明定义了远场处的前向和后向在远场处的实际数值的比值以此数值与GFB1＝10log10(σ2 Forward/σ2 Backward)相对比，来证明Kerker条件适用于本发明提出的光学纳米天线，更高的模式(比如电四级，磁四级或高级)在公式(1)和公式(2)中忽略不计。
如附图2(a)所示，我们发现GFB和GFB1在数值上和峰值位置上大致是相等的，并且G值出现了两个极值，分别为λ＝731nm为最小值和λ＝774nm为最大值。图2(b)画出了两个极值出的远场能量分布图，可以看出，λ＝731nm后向散射；λ＝774nm前向散射。由此，证明了本发明的光学纳米天线具有双单向性。
另外，本发明的纳米天线对点偶极光源的辐射特性也有一定的调制作用，附图3和附图4阐述了本发明中设计的纳米天线对于电偶极源的在远场的辐射特性的影响。
首先，将近场偶极源放置在其中一个金属板的中间处(其中一个方块的的中间位置)，如附图3(a)所示。通过计算得出了辐射衰减率的大小如附图3(b)所示，得到了两个局域表面等离子体的共振峰，分别在λ＝750nm和λ＝620nm，由附图3(c)可以明显看出两个共振峰分别为两个金属板上的偶极在反相位和同相位的杂化，即磁偶极共振和电偶极共振。但是在远场辐射特性上，此纳米天线对于该位置处的偶极源在不同波长位置处只有前向散射增强，并没有后向散射增强的效果(同一天线在不同波长位置向前和向后散射出不同颜色的光)。如附图3(b)所示，GFB值并没有负值。
基于此，在原来天线的基础上，增加了一个同样的天线，两个天线之间的距离为100nm，纵向排列，将电偶极源放置在如附图4(a)所示的位置处，观测他们的远场发生的变化。从附图4(b)可以看出，经过排列的两组天线，在如附图4(a)所示位置处偶极源的激发下，共振位置是没有发生改变的，还是在λ＝750nm和λ＝620nm处，但是在远场辐射特性上发生了很大的改变，这种排列的天线对近场源具有了双单向性，而且比平面波的前向散射增强和后向散射增强幅度更大(对比附图2(a)和附图4(b)，说明比平面波的双向幅度更好)。另外，在图5中给出了电偶极子位置对本发明的天线单向性的影响，如在图5(a)位置处的时候，本发明的天线并没有双单向性(如图5(c)所示)。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有双单向性的光学纳米天线，其特征在于：所述天线由方块形的金属纳米颗粒和介电质按照金属-介电-金属的形式构成，所述天线为方块形、材料为贵金属；金属纳米颗粒长度和宽度为100纳米量级；天线的总体尺寸远小于天线的工作波长，为深亚波长纳米天线。
2.根据权利要求1所述的光学纳米天线，其特征在于：每个纳米颗粒在外场的激发下，会产生局域表面等离子体共振。
3.根据权利要求1所述的光学纳米天线，其特征在于：两个颗粒发生杂化，同时支持两种共振模式：同相位杂化形成的电偶极和反相位杂化形成的磁偶极。
4.根据权利要求1所述的光学纳米天线，其特征在于：所述贵金属材料为金。
5.根据权利要求1所述的光学纳米天线，其特征在于：所述天线的工作波长为可见光或近红外工作频段对应的波长。
6.一种具有双单向性的光学纳米天线，其特征在于：所述天线包括至少两个如权利要求1-5任一项所述的光学纳米天线，两个天线之间的距离为100nm。
7.一种权利要求1-6任一项所述的光学纳米天线的设计方法，其特征在于：所述天线满足Kerker条件，天线的电偶极和磁偶极的强度相当。
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