毕业论文--基于CST仿真的纳米天线在光频下的特性研究

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1、桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第48页共48页引言天线的作用是接受和发射信号，根据工作的电磁波长，可分为微波天线、射频天线和光波天线。光波天线主要用于接收和发射光波信号。如一个透镜可以将入射的平行光集中在焦点，使焦点处的像得到加强，这类似于天线的作用。在纳米光器件中，利用金属的表面等离子效应，可以把光汇聚在一点，使该点的光得到加强。当微波与射频天线得到大量研究与应用时，对于作用在光波频段上的光学天线，我们还尚未对它做过多少研究。随着科学技术向小尺度和低维空间的推进，纳米加工技术将不断进步，而在其基础上建立起来的光学天线将为新一代的光

2、电技术发展开创一个崭新的平台。按材料的不同，光学天线可分为介质光学天线和金属光学天线。其中，介质光学天线可以作为近场光学探针对样本表面的隐逝场进行散射，实现局域场与传播场的相互转换。金属光学天线一般由金属纳米结构组成，利用金属纳米结构与光的作用实现传播场与局域场的相互转换和电磁场局域加强。2004年Fromm小组利用金属纳米颗粒的表面等离激元共振实现了金属光学天线共振。表面等离激元是在入射光的作用下金属表面自由电子的集体振荡，其电磁场分布是一种束缚在金属表面的局域电磁场模式。入射光与金属纳米结构相互作用，将入射光转换为表面等离激元，金属自由电

3、子的运动和在边缘的积累，导致局域的场增强。金属的表面等离激元共振实现了光频段的天线功能。自此，基于表面等离子体激元的光学天线成为研究热点之一，国内外的许多学者都开始进行这方面的研究。本文主要针对几种结构的纳米结构的金属光学天线进行研究，论文的主要研究内容和安排如下：（1）第一章简要说明了光学天线的基本结构与原理，介绍了纳米光学天线的研究发展与应用前景；（2）第二章主要介绍了纳米金属光学天线表面等离子体激元共振的原理，并介绍了基于FDTD研究光学天线的方法；（3）第三章系统研究了不同结构与尺寸的纳米光学天线的近场特性。1光学天线1.1纳米光学天

4、线的基本结构与原理目前研究的纳米光学天线多为对称振子结构，由两片金属薄膜和反馈间隙构成（图1.1）。共振天线的长度取决于入射光的波长。从理论上来说，共振时天线长度约为入射光波长的一半。纳米天线振子臂形状除了图1.1（a）所示长方形外，也可以为梯形，蝴蝶结形等（图1.1（b）、图1.1（c））。薄膜材料多为金、银，也可用碳纳米管制成。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第48页共48页图1.1光学天线振子结构图示纳米光学天线的基本原理是基于金属孔超常透射现象。虽然实验上已经多次证明存在金属孔超常透射，但物理机制还没有完全搞清楚，尚存在相互矛

5、盾的争议，因此，关于纳米光学天线的实现聚焦和增强的机制也不是十分清楚，现有如下三种原理：（1）较为认同理论是，当光照射在这些纳米天线上发生衍射和散射时，将会在其表面产生表面等离子体激元(SurfacePlasmonPolarifons,,SPPs)。这些SPPs波长较小于隧道，一部分由隧道效应穿透到小孔的另一面，在金属薄膜足够薄的时候，金属上下表面的SPPs将会发生重叠实现共振增强；（2）也有人提出，当入射波矢与天线SPPs波矢匹配时，发生等离激元共振（SPR），共振效应产生强的自由电子集体振荡，在反馈间隙边缘。振子两端出现时变异种电荷，由于

6、反馈间隙很小，静电耦合很强，从而获得巨大的场增强；（3）也有人从天线结构出发给出了天线增强因子，认为影响场增强因子是由天线的尖端效应、准静态、表面等离子共振共同影响。总体来说，纳米光学天线是基于等离子体激元（SPPs）来实现电场增强。1.2纳米光学天线的研究进展2000年，D.W.Pohl提出近场光学问题可以看作天线问题，近场的核心问题是传播场与隐逝场的有效转换，而天线问题同样是传播场与局域场之间的相互转换。因此在近场问题中被广泛应用的光学探针可以看作光学波段的天线。近场光学探针如果结合表面等离激元谐振将有更大的应用前景。2003年，K.B.

7、Crozier从理论和实验上研究了中红外波段金属光学天线的局域场增强。作者分析了不同形状的天线，包括棒状、圆盘状、三角状等，得出了棒状金属天线的场增强功能最强的结论。2004年，W.E.Moerner系统研究了在光学波段共振的Bow-tie金属天线，通过利用双光子荧光增强作用，得到了天线间隙处场增强大约在1000量级。作者还将Bow-tie天线间隙处的高度场增强应用于双光子聚合，得到了约为30nm的分辨率。2005年，P.Muhlschlegel等人实现了光学波段金属半波偶极天线的共振。作者利用两个相互耦合的金属条的表面等离激元共振，在间隙处

8、产生了很强的局域场，并利用该局域场产生了白光。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸第48页共48页图1.2半波偶极天线（a）扫描电镜图（b）共振强度分布图200