CN106646868B - 一种磁场均匀增强的近场光学天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁场均匀增强的近场光学天线，属于光电子及光通讯技术领域。本发明的技术方案要点为：一种磁场均匀增强的近场光学天线，包括介质层及设置于介质层上的金属结构，金属结构为回字型结构，该回字型结构包括间断式矩形内腔和间断式矩形外腔，其中间断式矩形内腔与间断式矩形外腔之间的间距为35nm，间断式矩形内腔由四个第一L形纳米金属体和四个第一矩形纳米金属体组成，间断式矩形外腔由四个第二L形纳米金属体和八个第二矩形纳米金属体组成。本发明设计思路简单，集成性好，使用范围广，可根据不同材料的特性设计不同波段的近场光学天线，特别是用半导体材料设计光通讯波段的光电子器件具有更重要的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于光电子及光通讯技术领域，具体涉及一种磁场均匀增强的近场光学天线。
背景技术
近年来，随着传统天线使用领域的局限，光学天线的研究成为了当今热门方向，得到了广泛的关注。人们开始设计和利用各种光学天线的模型结构来增强纳米尺度光与物质的相互作用。光学天线的定义与微波天线相似，就是为局域能量和自由空间光辐射高效相互转化的换能器件。但是光频天线又与平常微波天线不同，光频天线将尺度更小的荧光分子、量子点等有源介质当作了馈源。同等的，这些有源介质本身也具有能级结构。在光频波段，我们通常将这些荧光分子均匀涂抹在相应的光学天线周围。这样他们与天线的相互作用是直接进行的，没有中间媒介的介入。在这方面，传统天线与光学天线有着很大的区别。除了金属材料以外，制作光学天线也会使用到高折射率的介质。
光学天线与微波天线最大的区别在于在光频段金属材料的介电响应便不再是完美导体，而是具有一定趋肤深度的损耗介质。同时，在光频段金属表面存在表面等离子体波，因此光学天线的工作波长与传统天线的工作波长不一样。由于金属本身是完美导体，传统天线所支持的是一种TEM波，又因为电磁波无法穿透金属，所以传统天线的工作波长是与真空波长相等的。对于光学天线而言，电磁波是会部分进入金属内部，所以其工作波长与真空情况是不一样的。在光学天线尺度小于金属的趋肤深度时，光学天线的工作波长也会得到大大的压缩。但是这也提供了一种用来获得突破衍射极限的极小光斑的方法。
光学天线与微波天线十分相似，单两者在物理性质上有着重要的区别，主要在于金属在光频段时不再是理想导体，而是用自由电子气描述的等离子体去代替。再者光学天线也不再是像经典天线那样用电流驱动，而是用靠近天线的馈电点的局域场震荡来激发共振。同时光学天线有着各种各样的非经典的形状（如纳米棒，针尖，纳米球等），因为表面等离子激元共振，光频天线的性质还和材料，形状等密切相关。
发明内容
本发明为解决目前近场光学天线电磁场的局域化增强问题而提供了一种磁场均匀增强的近场光学天线，通过适当改变光学天线元胞结构使环状天线的内腔结构和外腔结构具有周期性的分段起伏，从而改变天线内部能流的运动规律，由原来的同相位运动转变为反相位运动，使得磁场在矩形腔内呈现均匀的增强并且空间分布非常平坦。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种磁场均匀增强的近场光学天线，包括介质层及设置于介质层上的金属结构，其特征在于：所述的金属结构为回字型结构，该回字型结构包括间断式矩形内腔和间断式矩形外腔，其中间断式矩形内腔与间断式矩形外腔之间的间距为35nm，所述的间断式矩形内腔由四个第一L形纳米金属体和四个第一矩形纳米金属体组成，其中四个第一L形纳米金属体构成间断式矩形内腔的四个边角，该四个第一L形纳米金属体的短边水平相对且长边竖直相对，四个第一矩形纳米金属体分别对应设置于第一L形纳米金属体相对的长边及短边之间，该第一矩形纳米金属体与两侧相邻的第一L形纳米金属体之间的间距为25nm，所述的间断式矩形外腔由四个第二L形纳米金属体和八个第二矩形纳米金属体组成，其中四个第二L形纳米金属体构成间断式矩形外腔的四个边角，该四个第二L形纳米金属体的短边水平相对且长边竖直相对，八个第二矩形纳米金属体分别对应设置于第二L形纳米金属体相对的长边及短边之间，该第二矩形纳米金属体与相邻的第二L形纳米金属体之间的间距及相邻的第二矩形纳米金属体之间的间距均为25nm。
进一步优选，所述的第一L形纳米金属体的长边尺寸为80nm*30nm*30nm，第一L形纳米金属体的短边尺寸为50nm*30nm*30nm，第一矩形纳米金属体的尺寸为100nm*30nm*30nm，水平设置的第一矩形纳米金属体分别与相应的第一L形纳米金属体的短边相对，竖直设置的第一矩形纳米金属体分别与相应的第一L形纳米金属体的长边相对。
进一步优选，所述的第二L形纳米金属体的长边尺寸为80nm*30nm*30nm，第二L形纳米金属体的短边尺寸为50nm*30nm*30nm，第二矩形纳米金属体的尺寸为305/3nm*30nm*30nm，水平设置的第二矩形纳米金属体分别两两水平相对，该两两水平相对的第二矩形纳米金属体分别与相应的第二L形纳米金属体的短边相对，竖直设置的第二矩形纳米金属体分别两两竖直相对，该两两竖直相对的第二矩形纳米金属体分别与相应的第二L形纳米金属体的长边相对。
进一步优选，所述的第一L形纳米金属体、第一矩形纳米金属体、第二L形纳米金属体和第二矩形纳米金属体的材质均为银。
进一步优选，所述的介质层为MgF介质层，该介质层的尺寸为500nm*500nm*100nm。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明解决了目前近场天线电磁场增强只作用在极窄区域范围的限制，实现电磁场在空间的均匀增强。本发明设计思路简单，集成性好，使用范围广，可根据不同材料的特性设计不同波段的近场光学天线，特别是用半导体材料设计光通讯波段的光电子器件具有更重要的实用价值。
附图说明
图1为环形磁场增强近场光学天线的立体结构示意图；
图2为磁场均匀增强的近场光学天线的立体结构示意图；
图3为环形磁场增强近场光学天线的平面结构示意图；
图4为磁场均匀增强的近场光学天线的平面结构示意图；
图5为环形磁场增强近场光学天线的磁场分布图；
图6为磁场均匀增强的近场光学天线的磁场分布图。
图中：1、介质层，2、金属结构，3、第一L形纳米金属体，4、第一矩形纳米金属体，5、第二L形纳米金属体，6、第二矩形纳米金属体。
具体实施方式
结合附图详细描述本发明的具体内容。选取MgF作为介质层，在介质层上镀金属银，分别按照如下方式设计如图1和图2所示结构的近场光学天线。
步骤1、选定工作材料，确定材料介电常数，选择光学天线结构类型，确定结构参数；
步骤2、利用等效LC电路方法，得到矩形截面金属局域表面等离激元模式；
步骤3、设计磁场增强近场光学回字型腔体，该天线的元胞具有周期性的分段起伏和内外环相邻单元元胞具有周期性的排布；
步骤3.1、通过改变矩形金属体的结构参数，将其局域共振频率调整至工作频率；
步骤3.2、改变矩形内腔和矩形外腔上矩形金属体的位错，使得内外腔能流运动反相；
步骤3.3、对中间部分的内外腔或相邻环状元胞进行周期性调制，使该环状元胞或近邻环状元胞结构具有周期性排布；
步骤4、利用时域有限积分方法数值模拟该近场光学天线的能流运动过程。
如图1所示，该近场光学天线包括介质层1及设置于介质层1上的金属结构2，该金属结构2为闭合式回字型结构，MgF介质层为厚度为100nm、边长为500nm的方形介质层，闭合式回字型结构的周长为316nm，厚度为30nm。
如图2所示，本发明所述的磁场均匀增强的近场光学天线，包括介质层1及设置于介质层1上的金属结构2，所述的介质层1为MgF介质层，该介质层1的尺寸为500nm*500nm*100nm，所述的金属结构2为回字型结构，该回字型结构包括间断式矩形内腔和间断式矩形外腔，其中间断式矩形内腔与间断式矩形外腔之间的间距为35nm，所述的间断式矩形内腔由四个第一L形纳米金属体3和四个第一矩形纳米金属体4组成，其中四个第一L形纳米金属体3构成间断式矩形内腔的四个边角，该四个第一L形纳米金属体3的短边水平相对且长边竖直相对，四个第一矩形纳米金属体4分别对应设置于第一L形纳米金属体3相对的长边及短边之间，该第一矩形纳米金属体4与两侧相邻的第一L形纳米金属体3之间的间距为25nm，所述的间断式矩形外腔由四个第二L形纳米金属体5和八个第二矩形纳米金属体6组成，其中四个第二L形纳米金属体5构成间断式矩形外腔的四个边角，该四个第二L形纳米金属体5的短边水平相对且长边竖直相对，八个第二矩形纳米金属体6分别对应设置于第二L形纳米金属体5相对的长边及短边之间，该第二矩形纳米金属体6与相邻的第二L形纳米金属体5之间的间距及相邻的第二矩形纳米金属体6之间的间距均为25nm。
进一步优选，所述的第一L形纳米金属体3的长边尺寸为80nm*30nm*30nm，第一L形纳米金属体3的短边尺寸为50nm*30nm*30nm，第一矩形纳米金属体4的尺寸为100nm*30nm*30nm，水平设置的第一矩形纳米金属体4分别与相应的第一L形纳米金属体3的短边相对，竖直设置的第一矩形纳米金属体4分别与相应的第一L形纳米金属体3的长边相对。
进一步优选，所述的第二L形纳米金属体5的长边尺寸为80nm*30nm*30nm，第二L形纳米金属体5的短边尺寸为50nm*30nm*30nm，第二矩形纳米金属体6的尺寸为305/3nm*30nm*30nm，水平设置的第二矩形纳米金属体6分别两两水平相对，该两两水平相对的第二矩形纳米金属体6分别与相应的第二L形纳米金属体5的短边相对，竖直设置的第二矩形纳米金属体6分别两两竖直相对，该两两竖直相对的第二矩形纳米金属体6分别与相应的第二L形纳米金属体5的长边相对。
利用时域有限积分方法数值模拟该近场光学天线的能流运动过程，如图5和图6所示，分别为在工作频率为320.5THZ时，近场光学天线的磁场分布图。根据场的分布情况，发现图4的构型中，环形腔内呈现均匀的增强并且空间分布非常平坦，因此可以选择图4的设计形式作为磁场均匀增强的近场光学天线设计结构示意图。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
Claims (3)
1.一种磁场均匀增强的近场光学天线，包括介质层及设置于介质层上的金属结构，其特征在于：所述的金属结构为回字型结构，该回字型结构包括间断式矩形内腔和间断式矩形外腔，其中间断式矩形内腔与间断式矩形外腔之间的间距为35nm，所述的间断式矩形内腔由四个第一L形纳米金属体和四个第一矩形纳米金属体组成，其中四个第一L形纳米金属体构成间断式矩形内腔的四个边角，该四个第一L形纳米金属体的短边水平相对且长边竖直相对，四个第一矩形纳米金属体分别对应设置于第一L形纳米金属体相对的长边及短边之间，该第一矩形纳米金属体与两侧相邻的第一L形纳米金属体之间的间距为25nm，所述的间断式矩形外腔由四个第二L形纳米金属体和八个第二矩形纳米金属体组成，其中四个第二L形纳米金属体构成间断式矩形外腔的四个边角，该四个第二L形纳米金属体的短边水平相对且长边竖直相对，八个第二矩形纳米金属体分别对应设置于第二L形纳米金属体相对的长边及短边之间，该第二矩形纳米金属体与相邻的第二L形纳米金属体之间的间距及相邻的第二矩形纳米金属体之间的间距均为25nm，所述的介质层为MgF介质层，该介质层的尺寸为500nm*500nm*100nm，所述的第一L形纳米金属体、第一矩形纳米金属体、第二L形纳米金属体和第二矩形纳米金属体的材质均为银。
2.根据权利要求1所述的磁场均匀增强的近场光学天线，其特征在于：所述的第一L形纳米金属体的长边尺寸为80nm*30nm*30nm，第一L形纳米金属体的短边尺寸为50nm*30nm*30nm，第一矩形纳米金属体的尺寸为100nm*30nm*30nm，水平设置的第一矩形纳米金属体分别与相应的第一L形纳米金属体的短边相对，竖直设置的第一矩形纳米金属体分别与相应的第一L形纳米金属体的长边相对。
3.根据权利要求1所述的磁场均匀增强的近场光学天线，其特征在于：所述的第二L形纳米金属体的长边尺寸为80nm*30nm*30nm，第二L形纳米金属体的短边尺寸为50nm*30nm*30nm，第二矩形纳米金属体的尺寸为305/3nm*30nm*30nm，水平设置的第二矩形纳米金属体分别两两水平相对，该两两水平相对的第二矩形纳米金属体分别与相应的第二L形纳米金属体的短边相对，竖直设置的第二矩形纳米金属体分别两两竖直相对，该两两竖直相对的第二矩形纳米金属体分别与相应的第二L形纳米金属体的长边相对。
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