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为了提高对远场方向性调控的灵活性,提出双蝶形银纳米光天线,基于时域有限差分的方法研究了天线不同结构与尺寸的变化对远场方向性产生的影响。研究发现,由于局域表面等离激元的存在,偶极子源垂直放置于双蝶形银结构下表面一定距离时,远场方向图出现明显的旁瓣。天线长度的增加是方向图出现旁瓣的关键因素。天线臂之间夹缝的减小,使远场方向图中旁瓣增大,同时主瓣增益增大。天线厚度的增加使远场方向图出现旁瓣,主瓣增益先增大后减小。结果表明,双蝶形银纳米光天线能够改变与其相耦合的偶极子源的辐射方向性。
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52, 021601(2015)
激光与光电子学进展
Laser & Optoelectronics Progress
©2015《中国激光》杂志社
021601-1
双蝶形金属纳米光天线的远场特性研究
王 冰 金 杰 侯梓叶
天津大学电子信息工程学院, 天津 300072
摘要 为了提高对远场 方向性调控的灵活性,提出双蝶形银纳 米光天线,基于时域有限差分的方法研 究了天线不同
结构与尺寸的变化对远场方向性产生的 影响。研究发现,由于局域表面等离激元的存 在,偶极子源垂直放置于双蝶
形银结构下表面一定距离时,远场方向图出现明显的旁瓣。天线长度的增加是方向图出现旁瓣的关键因素。天线臂
之间夹缝的减小,使远场方向图中旁瓣增大,同时主瓣增益增大。天线厚度的增加使远场方向图出现旁瓣,主瓣增益
先增大后减小。结果表明,双蝶形银纳米光天线能够改变与其相耦合的偶极子源的辐射方向性。
关键词 材料; 金属纳米光天线; 双蝶形银结构; 时域有限差分; 局域表面等离激元; 远场方向性
中图分类号 O431.1 文献标识码 A
doi: 10.3788/LOP52.021601
Far-Field Characteristics of Double Butterfly-Shape
Nano-Metallic Optical Antenna
Wang Bing Jin Jie Hou Ziye
School of Electronic Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
Abstract In order to improve the flexibility of the control to far-field directivity, the double butterfly-shap silver
nanostructure optical antenna is put forword. The influence of the far-field directivity caused by different structures
and sizes is researched based on finite difference time domain method. The research demonstrates that, because of
the exist of localized surface plasmon, far- field pattern shows a significant side lobe when the dipole is placed
beneath the structure vertically. The increase of length is the key factory to make the side lobe appears in the far-
filed pattern. The decrease of the gap between antenna arms can make the side lobe and the main lobe gain increase
in the far-field pattern. The increase in antenna thickness causes a side lobe in the far-field pattern and the main
lobe gain first increases then decreases. The results show that double butterfly-shap silver nano optical antenna can
change the radiation directivity of the coupling dipole source.
Key words materials; nano-metallic optical antenna; double butterfly-shap silver structure; finite difference
time domain; localized surface plasmon; far-field directivity
OCIS codes 160.3900; 160.4760; 240.6680; 250.5403
1 引 言
金属纳米光学天线是一种可以将光波高效耦合到亚波长尺度的金属纳米光子器件,它利用金属纳米粒子
的局域表面等离激元(LSPs)共振这一独特的光学性质实现了传播场与局域场的相互转换
[1]
。当光波与金属纳
米粒子耦合时,其粒子中的自由电子会发生集体振荡,当电子的振荡频率与入射光波的频率一致时就会产生
LSPs 共振,共振时能量被束缚在金属表面附近,不仅实现了传播场与局域场的相互转换,而且激发出更强的局
域电场
[2-4]
。基于 LSPs 的金属纳米光天线对电磁场具有场约束、场增强以及重定向等作用,这些作用使金属纳
米光学天线在众多领域颇受青睐,如太阳能利用、生物化学检测器、高分辨率成像、癌症治疗等
[5]
。
不同结构 的 金属纳米 光 天线具有 不 同的光学 性 能。目前 研 究的金属 纳 米 光学天 线 多 为对称振 子 结构、球
体、棒状及其所形成的阵列结构、圆盘结构等
[6-8]
,这些结构简单,可调节的参数很少,对远场方向性的调控不
收稿日期: 2014-07-23; 收到修改稿日期: 2014-09-02; 网络出版日期: 2015-01-09
基金项目: 高等学校博士学科点专项科研基金(20090032110027)
作者简介: 王 冰(1992—),女,硕士研究生,主要从事纳米金属光学天线方面的研究。E-mail: hdwangbing@163.com
导师简介: 金 杰(1962—),女,教授,博士生导师,主要从事光通信器件与光纤通信等方面的研究。
E-mail: jinjie @tju.edu.cn(通信联系人)
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