[发明专利]一种圆盘形核壳结构的光学微纳天线及其设计方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳光子学领域，尤其涉及一种可用于支持环形磁矩共振工作模式的光学微纳天线及其设计方法。

背景技术

随着纳米加工工艺的不断提高，目前已经可以制备尺寸只有几十纳米甚至十几个纳米的微小金属颗粒。纳米尺度的金属颗粒能够与频率为太赫兹量级的电磁波甚至几百太赫兹的光波发生相互作用，与传统射频天线一样具有辐射和接收电磁波的能力，因此金属颗粒可以看作是光学微纳天线。

光学微纳天线可广泛用于纳米激光器、表面光谱增强、非线性光学效应增强、超灵敏光学传感、以及亚波长分辨成像等领域。在众多种类的光学微纳天线当中，有一类天线受到格外的关注，那就是圆形光学贴片纳米天线。最常见的圆形光学贴片纳米天线主要有：放在介电基底上的单个金属纳米圆盘贴片天线和金属—介电—金属的三明治结构纳米贴片天线。

与射频天线一样，共振频率也是光学微纳天线设计及实际应用中的一个重要指标。如果我们能够得到天线本身各项参数与其共振频率之间的关系，一方面给定天线的几何尺寸及材料参数就可以预测其共振频率，另一方面可以根据想要的工作波长即共振频率来决定天线的设计尺寸及材料选择等。对于具有非正则形状的微纳天线设计，一般必须借助基于计算电磁学的方法进行大规模的仿真，并在参数空间进行优化。这种基于数值计算的设计方法不仅效率低下，而且其所能提供的微纳天线特性在工作机制上常常不是十分清楚。2012年，Filter等人(参见非专利文献1：R.Filter,J.Qi,C.Rockstuhl,F.Lederer.Circular optical nanoantennas:an analytical theory.Phys.Rev.B 2012,85,125429)建立了一套解析的理论和方法来计算圆形光学纳米天线中表面等离子激元在天线边界处的反射系数，该方法指出圆形光学贴片纳米天线中的准本征模可通过求解标量的亥姆霍兹方程得出。2014年Minkowski等人(参见非专利文献2：F.Minkowski,F.Wang,A.Chakrabarty,Q.H.Wei.Resonant cavity modes of circular plasmonic patch nanoantennas.App.Phys.Lett.2014,104,021111)研究了金属—介电—金属结构的圆形光学贴片纳米天线中的共振模式，在他们的研究中得到了无侧壁包层的金属-介电-金属的三明治结构纳米天线的共振频率与天线参数的 关系。

上述提到的几种圆形光学贴片纳米天线天线有个共性就是电场在天线的边界处总是取局域极大值，这是由于其中侧面边界上具有开放性所决定的。目前还没有关于以其他类型边界条件下设计天线共振频率的方法。而充分利用侧面边界的变化对圆形光学贴片纳米天线进行设计，会为微纳米光学天线的应用提供更多自由度与适应性，在相关应用领域带来一些全新的变化，势必会引起更为广泛的关注。

发明内容

本发明提出了一种适用于电场在边界处趋于零的圆形光学贴片纳米天线设计方法，同时，提出一种带有侧壁金属包层金属—介电—金属三层结构的光学微纳天线，这种天线也可以看作是核壳结构的光学微纳天线，以下统称圆盘形核壳结构光学微纳天线。本发明首先应用第一类边界条件即狄利克雷边界条件得出圆盘形核壳结构光学微纳天线的共振条件，然后根据天线的参数获得天线的腔内共振表面等离子体波的色散关系，最后结合色散关系和天线的几何尺寸之间关系得出天线的共振频率，反过来也可以根据想要的共振频率(即设计工作频率)找出圆盘形核壳结构光学微纳天线的各项几何参数。

本发明的有益效果是：

1.本发明提出的方法结合了法布里-珀罗干涉效应与共振表面等离子体波的特性，利用间隙表面等立体波及其色散关系，将射频圆盘形贴片天线中共振频率的计算方法拓展到光学微纳天线的设计领域，为纳米光子器件以及集成光路的设计提供了有用的理论依据。

2.由于本发明的光学微纳天线的设计方法针对的是对圆盘形核壳结构光学微纳天线中的准本征模式，因此不论对于单个圆盘形核壳结构光学微纳天线还是以圆盘形核壳结构光学微纳天线为元胞的天线阵列都可以采用本发明的方法进行设计。这样，有利于利用圆盘形核壳结构光学微纳天线进行各种功能的超材料以及超表面的设计。

3.圆盘形核壳结构光学微纳天线中的表面等离子体波共振模式都是以环形磁矩为基础的深亚波长共振模式，对于环形磁矩共振的研究有一定的参考价值。

附图说明

图1为圆盘形核壳结构光学微纳天线的结构示意图；