[发明专利]基于Fano共振和PT对称的Janus核壳纳米天线

说明书

本发明涉及一种光学纳米天线，具体涉及一种基于Fano共振和PT对称的Janus核壳纳米天线，包括金属纳米盘和Janus介电空心纳米盘，金属纳米盘位于Janus介电空心纳米盘内，二者以核壳结构组合在一起；金属纳米盘的中心设有开缝，开缝为长方孔；金属纳米盘和Janus介电空心纳米盘之间留有缝隙；金属纳米盘的材料为金材质；Janus介电空心纳米盘的材质一半为增益介质其另一半为损耗介质取n＝3.2，i＝0.2。通过纳米天线的电共振和磁共振的耦合作用，分析了不同共振模式的响应对散射特性的影响，调节PT对称复合纳米天线的波长，实现远场能量由背向散射到前向散射的转换。

技术领域：

本发明涉及一种光学纳米天线，具体涉及一种基于Fano共振和PT对称的Janus核壳纳米天线。

背景技术：

宇称-时间(Parity-time，PT)对称结构是近年来发展起来的一种新型材料系统，其概念源于量子力学。1998年Bender等人发现，满足PT对称的非厄米哈密顿量在一定参数范围内具有实数本征谱，自此掀起了关于PT对称研究的热潮。2007年，El-Ganainy等人提出量子力学中的薛定谔方程和缓变包络近似下的光波动方程具有相同的数学形式，光学遂成为研究PT对称非常好的平台。近年来，人们对PT对称的认识不仅局限于传统光学材料中，已将PT对称概念扩展到复杂光学结构中，由此产生了许多新颖的光学现象。PT对称系统集成了介电材料的损耗和增益特性，可灵活设计光学系统的构成，通过改变材料参数即可改变远场散射单向性，使金属-介电纳米系统的光学吸收和散射特性得到有效调控，为实现纳米天线的零背向散射提供了灵活的设计方法，在纳米天线单向散射特性方面展现出诱人应用前景。

PT对称金属-介电复合纳米天线中两个介电材料的折射率分别为n+ik和n+ik，这里k为非厄米系数，它的增益和损耗以n(x)＝n*(-x)形式平均分布在纳米颗粒中，即折射率的实部是偶函数，虚部为奇函数，由此PT对称的概念可扩展到纳米尺度的结构中。将PT对称系统中的增益材料和损耗材料与金属材料相结合，即形成了PT对称金属-介电复合纳米天线。要实现纳米光学天线的单向性散射，必须要求纳米天线支持两个或者更多模式以实现光场的单向性散射。由于基于PT对称的纳米光学天线可支持更为丰富的光学模式，从而能够对光波进行灵活的操控。因此，基于PT对称原理，开展新型PT对称开缝的Janus金属-介电核壳纳米天线研究，设计金属材料发挥其局域场增强效应，同时利用介电材料抑制金属损耗，实现PT对称增益和损耗材料的有效调控，提高和丰富纳米天线单向散射特性和Fano共振特性，具有重要的科学理论意义和研究价值。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于Fano共振和远场单向性转换的PT对称Janus核壳纳米天线，该纳米天线是由开缝的金属纳米盘和Janus介电空心纳米盘构成的，在入射平面波的激发下，波矢平行于x轴方向，偏振平行于y轴方向。PT对称复合纳米结构是一类既支持电共振又支持磁共振的结构，通过纳米天线的电共振和磁共振的耦合作用，分析了不同共振模式的响应对散射特性的影响，调节PT对称复合纳米天线的波长，实现远场能量由背向散射到前向散射的转换。PT对称复合纳米天线结构参数的改变在一定程度上可调节法诺共振的位置和强度。本发明为实现远场单向性和Fano共振可控的纳米天线提供了理论指导，对拓宽表面等离子体共振的应用领域和提高光学传感器性能具有一定的参考价值。

本发明采用的技术方案为：一种基于Fano共振和PT对称的Janus核壳纳米天线，所述核壳纳米天线包括金属纳米盘和Janus介电空心纳米盘，金属纳米盘位于Janus介电空心纳米盘内，二者以核壳结构组合在一起；所述金属纳米盘的中心设有开缝，开缝为长方孔；所述金属纳米盘和Janus介电空心纳米盘之间留有缝隙；所述金属纳米盘的材料为金材质；所述Janus介电空心纳米盘的材质一半为增益介质其另一半为损耗介质取n＝3.2，i＝0.2。

进一步地，所述金属纳米盘的半径为r＝58nm；所述Janus介电空心纳米盘的半径为R＝100nm，缝隙的单边间隙2nm；所述开缝的长度为L＝30nm，宽度为W＝10nm，其高度为H＝50nm。