[发明专利]微球体耦合的三维锥形金属波导结构及光场耦合模拟方法

权利要求书

1.一种微球体耦合的三维锥形金属波导结构，其特征在于，包括：三维空心锥形金属波导以及介电微球体；其中，所述介电微球体设置在所述三维空心锥形金属波导内，并与所述三维空心锥形金属波导的内壁相切；所述三维空心锥形金属波导的锥角大于满足绝热条件所需的临界锥角。

2.根据权利要求1所述的微球体耦合的三维锥形金属波导结构，其特征在于，所述三维空心锥形金属波导的包层材料为铝材料。

3.根据权利要求1所述的微球体耦合的三维锥形金属波导结构，其特征在于，所述三维空心锥形金属波导的锥角端形成有开口，所述开口的孔径宽度为200nm。

4.根据权利要求3所述的微球体耦合的三维锥形金属波导结构，其特征在于，所述三维空心锥形金属波导的金属壁的厚度为200nm；入口宽度为4.8um；锥角为60°。

5.根据权利要求4所述的微球体耦合的三维锥形金属波导结构，其特征在于，所述介电微球体的半径为960nm。

6.根据权利要求4所述的微球体耦合的三维锥形金属波导结构，其特征在于，在不考虑色散的情况下，所述介电微球体的介电常数为2.2。

7.根据权利要求1所述的微球体耦合的三维锥形金属波导结构，其特征在于，所述介电微球体通过嵌入方式固定在所述三维空心锥形金属波导内。

8.一种基于如权利要求1至7任意一项的微球体耦合的三维锥形金属波导结构进行光场模拟耦合方法，其特征在于，包括：

将波长λ＝500nm的线性TM偏振高斯光束作为入射光入射至位于微球体耦合的三维锥形金属波导结构前的凸透镜；其中，所述凸透镜的焦点位于三维空心锥形金属波导的入口；

采用时域有限差分数值模型模拟在三维空心锥形金属波导内的光学演化；其中，时域有限差分数值模型的网格单元设为Δx＝Δy＝Δz＝λ/25＝20nm，且截断采用各向异性完全匹配层吸收边界条件；

采用Drude-Lorentz模型描述铝的介电常数与入射波长的关系；其中，空气和铝的介电常数分别为ε2＝1、εAl＝-34.2+9.0i；

根据光学演化过程计算获得入射光与三维空心锥形金属波导的光场耦合效率；其中，当三维空心锥形金属波导的间隙大于预定值时，激发态spp沿壁向前传播，当间隙变窄时，在锥顶端区逐渐耦合到GSP中；当三维空心锥形金属波导的间隙距离小于预定值时，大部分GSP被孔径边缘反射回来，并沿内壁返回到SPPs中，正向SPP和后向GSP波叠加构成强驻波。

9.根据权利要求8所述的光场模拟耦合方法，其特征在于，所述入射光的半高宽为9mm，光阑直径9mm，聚焦孔径FL的数值孔径NA为0.65。