[发明专利]一种磁场均匀增强的近场光学天线

说明书

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。

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。