CN108539355A - 一种基于金属纳米介质柱的多频率谐振腔 - Google Patents

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付晶晶
杜文文
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Abstract

本发明公开了一种基于金属纳米介质柱的多频率谐振腔，包括8个金属‑介质纳米柱，所述8个金属‑介质纳米柱中的4个金属‑介质纳米柱对称分布在周期半径为R1的内层圆形区域边界上，另外4个金属‑介质纳米柱对称分布在周期半径为R2的外层圆形区域边界上，所述R1的长度比R2的长度短。本发明利用金属和介质表面等离子波的特性，实现外部光或电磁信号通过等离子波在结构单元内部的谐振，与传统谐振腔源在内部引起谐振不同，同时运用等离子波作用在纳米柱之间形成谐振，使得谐振腔既可以相互独立，又可以形成一个整体，从而组成一个多频率的谐振腔。

Description

一种基于金属纳米介质柱的多频率谐振腔
技术领域
本发明属于电磁技术领域，具体的说是一种基于金属纳米介质柱的多频率谐振腔。
背景技术
电磁波，是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。在电磁波激励下，光波与金属内等离子体产生耦合作用，在自由空间-金属和金属-介质界面产生表面等离子体共振。当金属和介质复合纳米线构成一定的空间时，相邻的等离子波在空腔内形成等离子波谐振。由于多层复合纳米线形成不同的腔体，不同入射波形成的等离体波可以在不同的腔体里谐振，构成多频率谐振腔。
目前，谐振腔的发展趋势分别为：提供反馈能量以及选择光波的方向和频率，主要表现为对腔内震荡光束的方向和频率限制。一般，谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制，无法形成多频率的谐振腔。
中国专利申请号2006100496534公开了一种厚度在微米量级的介质薄膜之微波复介电常数的测量装置，它包括谐振腔、网络分析仪和介质基片，其特征在于所述谐振腔的两端设有射频耦合器，其中部设有通孔，所述介质基片用来承载介质薄膜，可插入所述通孔并两端处在谐振腔的两个耦合器相连接；该发明在谐振腔的中部开有通孔，故能将未镀介质薄膜的介质基片和镀完介质薄膜的介质基片分别插入所述谐振腔的通孔中，获得两组谐振频率及品质因数值，进而根据所获得的两组数据再结合谐振腔、介质基片以及介质薄膜的几何尺寸，推算出介质薄膜的复介电常数，包括复介电常数的实部和损耗角正切。但是目前谐振腔还没有单独应用于金属纳米介质柱，使得谐振腔既可以相互独立，又可以形成一个整体，从而组成一个多频率的谐振腔。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述技术问题，在电磁技术领域，利用在谐振腔界面的特定频率入射波和等离子波的相互作用，将光局域设在一个很小的工作区域内，并发生相互干涉，致使入射光由于发生相长干涉而得到增强；同时利用金属纳米结构的局域电磁场增强以及增强光散射的特性，运用在太阳能电池中，获得良好的陷光效应，进一步改善太阳能电池的光电转换效率；运用结构内部多谐振特性，作为外在多频率信号的检测，在传感器技术有重要的应用价值；运用纳米结构的谐振特性，可实现光和电磁波信号器件的集成。
本发明采用的技术方案如下：一种基于金属纳米介质柱的多频率谐振腔，包括8个金属-介质纳米柱，所述8个金属-介质纳米柱中的4个金属-介质纳米柱对称分布在周期半径为R1的内层圆形区域边界上，另外4个金属-介质纳米柱对称分布在周期半径为R2的外层圆形区域边界上，所述R1的长度比R2的长度短。
所述的金属-介质纳米柱的外层材质是金属银。
所述的金属-介质纳米柱处于空气环境中。
所述的金属-介质纳米柱上通过电磁波入射而产生散射和吸收特性。
具体来说，本发明有益效果为：
1)利用金属和介质表面等离子波的特性，实现外部光或电磁信号通过等离子波在结构单元内部的谐振，与传统谐振腔源在内部引起谐振不同。
2)运用纳米单元使得结构微型化，又利用纳米结构的谐振特性，使光和电磁波信号器件的集成。
3)运用等离子波作用在纳米柱之间形成谐振，使得谐振腔既可以相互独立，又可以形成一个整体，从而组成一个多频率的谐振腔；该谐振腔，谐振模式和谐振方式均不同于现有单一频率的谐振腔。
附图说明
图1是基于金属纳米介质柱的多频率谐振腔结构示意图。
图2是实施例1中的基于金属纳米介质柱的多频率谐振腔散射截面图和吸收截面图。
图3是实施例2中的基于金属纳米介质柱的多频率谐振腔散射截面图和吸收截面图。
图4(a)、图4(b)和图4(c)是实施例1的场分布图。
图5(a)、图5(b)和图5(c)是实施例2的场分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明：
如图1-5所示，本发明它包括有8个金属-介质纳米柱，所述8个金属-介质纳米柱中的4个金属-介质纳米柱对称分布在周期半径为R1的内层圆形区域边界上，另外4个金属-介质纳米柱对称分布在周期半径为R2的外层圆形区域边界上，其中R1的长度比R2的长度短。所述的金属-介质纳米柱的外层材质是金属银，并处于空气环境中。
所述的金属-介质纳米柱上通过电磁波入射而产生散射和吸收特性，进而推导出周期结构的近场和远场散射特性，根据理论推导，通过数值仿真中的限元法来验证理论计算的结果：选取Drude-Lorentz模型作为计算金属银的相对介电常数εM(ω)的模型，其表达式为：
其中，εM为相对介电常数为，ω为光的角频率，ε∞为当ω→∞时的相对介电常数，ωP为等离子体频率，Δ为Lorentz项权重，ΓL为振动谱宽，ΩL为Lorentz谐振子强度；选取金属银作为结构的表面涂层材料，具体参数如下：ε∞＝2.4064，ωP＝2π×2214.6×1012Hz，γ＝2π×4.8×1012Hz，Δ＝1.6604，ΩL＝2π×1330.1×1012Hz，ΓL＝2π×620.7×1012Hz。
对于两层的金属-介质纳米柱周期结构，将入射波Hz写成柱面波的形式，(ρj,φj)表示j阶金属纳米介质线的本地坐标系，将(Φ0,ΦM,ΦD)和(Ψ0,ΨM)定义为在各自区域中的入射圆柱波和散射波的列向量和基础变量，分别推导出自由空间ρj＞r1，中间金属层r2＜ρj＜r1，最内层介质核ρj＜r2处的磁场分量|Hz|的表达式为：
其中，为由圆柱傅立叶级数展开式表示的入射波的振幅系数，其中为入射角；式(1)～(3)分别代表入射波和散射波，即(Φ0,ΦM,ΦD)代表向内传播的波，(Ψ0,ΨM)代表向外的散射波，具体表达式如下：
其中Jm为m阶贝塞尔函数，为m阶第一类汉克尔函数；式(4)中Gj表示不同坐标系的相互转换，下标j表示其他圆柱的散射场变换到j物体，处于一个j阶的散射场中，Gi和Dj同理；式(4)中的σq,j和αq均为加法定理的变换因子，表达式如下：
αq＝[(-1)m-nJm-n((k0R)ein(q-1)θ] (9)
Ap＝-T(1)·kp(p＝2,3,...,N) (11)
Dj＝[ein(j-1)θδnn′] (13)
其中，Λp,Ap,kp都是使用Graf加法定理获得的变换因子，I为一个单位矩阵，δnn′为克罗内克函数，k0为自由空间的波数，为金属层的波数，为介质内核的波数，b为入射波的振幅矢量；基于本地坐标系(ρ,φ)，进行如下柱坐标和平面坐标之间的坐标变换：
ζp＝π/2-(p-1)θ/2 (14)
dp＝2R sin[(p-1)θ/2] (15)
式(1)～(4)中T(1)，T(2)，T(3)和T(4)都是两种区域中的场的变换矩阵，表示变换矩阵的加法定理，且均为对角矩阵，表示如下：
T(1)＝Rfm+Ffm·Rmd·(I-Rmf·Rmd)-1·Fmf (17)
T(2)＝(I-Rmf·Rmd)-1·Fmf (18)
T(3)＝Rmd·(I-Rmf·Rmd)-1·Fmf (19)
T(4)＝Fdm·(I-Rmf·Rmd)-1·Fmf (20)
其中，Rij和Fij(i,j＝f,m,d)是表示从“j”区域射向“i”区域的反射和透射柱波的对角矩阵，指数f,m,d表示自由空间、金属和介质内核；Rfm、Rmd和Rmf分别表示从金属界面到自由空间，从介质内核到金属界面，从自由空间到金属界面的反射矩阵，Ffm和Fmf表示从金属界面到自由空间，从自由空间到金属界面的投射矩阵，均为对角阵。
实施例1：以周期半径R1＝85.5nm，R2＝116.67nm的两层8圆柱形结构模型为例，金属(Ag)-介质圆柱的纳米线外半径r1＝60nm，介质核半径r2＝45nm，金属层的厚度r1-r2＝15nm，介质的介电常数ε/ε0＝10和频率范围为f＝5e13～2.5e14Hz的圆柱形周期结构。图2中三个谐振频率频率分别是f＝1.2268e14Hz、f＝2.0038e14Hz和f＝2.3045e14Hz处，对应图4(a)、图4(b)和图4(c)三个场分布图，可见同样三个谐振频率从小到大，三个频率谐振腔分别是中间4个纳米柱构成腔体，内外4个纳米柱形成外层腔体，和内外合成的大的腔体。
实施例2：以周期半径仍为R1＝85.5nm，R2＝116.67nm的两层8圆柱形结构模型为例，金属(Ag)-介质圆柱的纳米线外半径r1＝60nm，介质核半径r2＝30nm，金属层的厚度r1-r2＝30nm，介质核介电常数ε/ε0＝10和频率范围为f＝5e13～3e14Hz的圆柱形周期结构，图3中三个谐振频率频率分别是f＝1.3687e14Hz、f＝2.4192e14Hz和f＝2.7626e14Hz处，对应图5(a)、图5(b)和图5(c)三个场分布图，可见同样三个谐振频率从小到大，谐振腔也分别是中间4个纳米柱构成腔体，内外4个纳米柱形成外层腔体，和内外合成的大的腔体。
本发明涉及的其它未说明部分与现有技术相同。

Claims (4)

1.一种基于金属纳米介质柱的多频率谐振腔，其特征在于包括8个金属-介质纳米柱，所述8个金属-介质纳米柱中的4个金属-介质纳米柱对称分布在周期半径为R1的内层圆形区域边界上，另外4个金属-介质纳米柱对称分布在周期半径为R2的外层圆形区域边界上，所述R1的长度比R2的长度短。
2.根据权利要求1所述的基于金属纳米介质柱的多频率谐振腔，其特征在于，所述的金属-介质纳米柱的外层材质是金属银。
3.根据权利要求1所述的基于金属纳米介质柱的多频率谐振腔，其特征在于，所述的金属-介质纳米柱处于空气环境中。
4.根据权利要求1所述的基于金属纳米介质柱的多频率谐振腔，其特征在于，所述的金属-介质纳米柱上通过电磁波入射而产生散射和吸收特性。
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