本實用新型屬于光電子及光通訊技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種磁場均勻增強(qiáng)的近場光學(xué)天線。

背景技術(shù)：

近年來，隨著傳統(tǒng)天線使用領(lǐng)域的局限，光學(xué)天線的研究成為了當(dāng)今熱門方向，得到了廣泛的關(guān)注。人們開始設(shè)計和利用各種光學(xué)天線的模型結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)納米尺度光與物質(zhì)的相互作用。光學(xué)天線的定義與微波天線相似，就是為局域能量和自由空間光輻射高效相互轉(zhuǎn)化的換能器件。但是光頻天線又與平常微波天線不同，光頻天線將尺度更小的熒光分子、量子點等有源介質(zhì)當(dāng)作了饋源。同等的，這些有源介質(zhì)本身也具有能級結(jié)構(gòu)。在光頻波段，我們通常將這些熒光分子均勻涂抹在相應(yīng)的光學(xué)天線周圍。這樣他們與天線的相互作用是直接進(jìn)行的，沒有中間媒介的介入。在這方面，傳統(tǒng)天線與光學(xué)天線有著很大的區(qū)別。除了金屬材料以外，制作光學(xué)天線也會使用到高折射率的介質(zhì)。

光學(xué)天線與微波天線最大的區(qū)別在于在光頻段金屬材料的介電響應(yīng)便不再是完美導(dǎo)體，而是具有一定趨膚深度的損耗介質(zhì)。同時，在光頻段金屬表面存在表面等離子體波，因此光學(xué)天線的工作波長與傳統(tǒng)天線的工作波長不一樣。由于金屬本身是完美導(dǎo)體，傳統(tǒng)天線所支持的是一種TEM波，又因為電磁波無法穿透金屬，所以傳統(tǒng)天線的工作波長是與真空波長相等的。對于光學(xué)天線而言，電磁波是會部分進(jìn)入金屬內(nèi)部，所以其工作波長與真空情況是不一樣的。在光學(xué)天線尺度小于金屬的趨膚深度時，光學(xué)天線的工作波長也會得到大大的壓縮。但是這也提供了一種用來獲得突破衍射極限的極小光斑的方法。

光學(xué)天線與微波天線十分相似，單兩者在物理性質(zhì)上有著重要的區(qū)別，主要在于金屬在光頻段時不再是理想導(dǎo)體，而是用自由電子氣描述的等離子體去代替。再者光學(xué)天線也不再是像經(jīng)典天線那樣用電流驅(qū)動，而是用靠近天線的饋電點的局域場震蕩來激發(fā)共振。同時光學(xué)天線有著各種各樣的非經(jīng)典的形狀（如納米棒，針尖，納米球等），因為表面等離子激元共振，光頻天線的性質(zhì)還和材料，形狀等密切相關(guān)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型為解決目前近場光學(xué)天線電磁場的局域化增強(qiáng)問題而提供了一種磁場均勻增強(qiáng)的近場光學(xué)天線，通過適當(dāng)改變光學(xué)天線元胞結(jié)構(gòu)使環(huán)狀天線的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)和外腔結(jié)構(gòu)具有周期性的分段起伏，從而改變天線內(nèi)部能流的運動規(guī)律，由原來的同相位運動轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪辔贿\動，使得磁場在矩形腔內(nèi)呈現(xiàn)均勻的增強(qiáng)并且空間分布非常平坦。

本實用新型為解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案，一種磁場均勻增強(qiáng)的近場光學(xué)天線，包括介質(zhì)層及設(shè)置于介質(zhì)層上的金屬結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述的金屬結(jié)構(gòu)為回字型結(jié)構(gòu)，該回字型結(jié)構(gòu)包括間斷式矩形內(nèi)腔和間斷式矩形外腔，其中間斷式矩形內(nèi)腔與間斷式矩形外腔之間的間距為35nm，所述的間斷式矩形內(nèi)腔由四個第一L形納米金屬體和四個第一矩形納米金屬體組成，其中四個第一L形納米金屬體構(gòu)成間斷式矩形內(nèi)腔的四個邊角，該四個第一L形納米金屬體的短邊水平相對且長邊豎直相對，四個第一矩形納米金屬體分別對應(yīng)設(shè)置于第一L形納米金屬體相對的長邊及短邊之間，該第一矩形納米金屬體與兩側(cè)相鄰的第一L形納米金屬體之間的間距為25nm，所述的間斷式矩形外腔由四個第二L形納米金屬體和八個第二矩形納米金屬體組成，其中四個第二L形納米金屬體構(gòu)成間斷式矩形外腔的四個邊角，該四個第二L形納米金屬體的短邊水平相對且長邊豎直相對，八個第二矩形納米金屬體分別對應(yīng)設(shè)置于第二L形納米金屬體相對的長邊及短邊之間，該第二矩形納米金屬體與相鄰的第二L形納米金屬體之間的間距及相鄰的第二矩形納米金屬體之間的間距均為25nm。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述的第一L形納米金屬體的長邊尺寸為80nm*30nm*30nm，第一L形納米金屬體的短邊尺寸為50nm*30nm*30nm，第一矩形納米金屬體的尺寸為100nm*30nm*30nm，水平設(shè)置的第一矩形納米金屬體分別與相應(yīng)的第一L形納米金屬體的短邊相對，豎直設(shè)置的第一矩形納米金屬體分別與相應(yīng)的第一L形納米金屬體的長邊相對。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述的第二L形納米金屬體的長邊尺寸為80nm*30nm*30nm，第二L形納米金屬體的短邊尺寸為50nm*30nm*30nm，第二矩形納米金屬體的尺寸為305/3nm*30nm*30nm，水平設(shè)置的第二矩形納米金屬體分別兩兩水平相對，該兩兩水平相對的第二矩形納米金屬體分別與相應(yīng)的第二L形納米金屬體的短邊相對，豎直設(shè)置的第二矩形納米金屬體分別兩兩豎直相對，該兩兩豎直相對的第二矩形納米金屬體分別與相應(yīng)的第二L形納米金屬體的長邊相對。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述的第一L形納米金屬體、第一矩形納米金屬體、第二L形納米金屬體和第二矩形納米金屬體的材質(zhì)均為銀。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述的介質(zhì)層為MgF介質(zhì)層，該介質(zhì)層的尺寸為500nm*500nm*100nm。

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：本實用新型解決了目前近場天線電磁場增強(qiáng)只作用在極窄區(qū)域范圍的限制，實現(xiàn)電磁場在空間的均勻增強(qiáng)。本實用新型設(shè)計思路簡單，集成性好，使用范圍廣，可根據(jù)不同材料的特性設(shè)計不同波段的近場光學(xué)天線，特別是用半導(dǎo)體材料設(shè)計光通訊波段的光電子器件具有更重要的實用價值。

附圖說明

圖1為環(huán)形磁場增強(qiáng)近場光學(xué)天線的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為磁場均勻增強(qiáng)的近場光學(xué)天線的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為環(huán)形磁場增強(qiáng)近場光學(xué)天線的平面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為磁場均勻增強(qiáng)的近場光學(xué)天線的平面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為環(huán)形磁場增強(qiáng)近場光學(xué)天線的磁場分布圖；

圖6為磁場均勻增強(qiáng)的近場光學(xué)天線的磁場分布圖。

圖中：1、介質(zhì)層，2、金屬結(jié)構(gòu)，3、第一L形納米金屬體，4、第一矩形納米金屬體，5、第二L形納米金屬體，6、第二矩形納米金屬體。

具體實施方式

結(jié)合附圖詳細(xì)描述本實用新型的具體內(nèi)容。選取MgF作為介質(zhì)層，在介質(zhì)層上鍍金屬銀，分別按照如下方式設(shè)計如圖1和圖2所示結(jié)構(gòu)的近場光學(xué)天線。

步驟1、選定工作材料，確定材料介電常數(shù)，選擇光學(xué)天線結(jié)構(gòu)類型，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)；

步驟2、利用等效LC電路方法，得到矩形截面金屬局域表面等離激元模式；

步驟3、設(shè)計磁場增強(qiáng)近場光學(xué)回字型腔體，該天線的元胞具有周期性的分段起伏和內(nèi)外環(huán)相鄰單元元胞具有周期性的排布；

步驟3.1、通過改變矩形金屬體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將其局域共振頻率調(diào)整至工作頻率；

步驟3.2、改變矩形內(nèi)腔和矩形外腔上矩形金屬體的位錯，使得內(nèi)外腔能流運動反相；

步驟3.3、對中間部分的內(nèi)外腔或相鄰環(huán)狀元胞進(jìn)行周期性調(diào)制，使該環(huán)狀元胞或近鄰環(huán)狀元胞結(jié)構(gòu)具有周期性排布；

步驟4、利用時域有限積分方法數(shù)值模擬該近場光學(xué)天線的能流運動過程。

如圖1所示，該近場光學(xué)天線包括介質(zhì)層1及設(shè)置于介質(zhì)層1上的金屬結(jié)構(gòu)2，該金屬結(jié)構(gòu)2為閉合式回字型結(jié)構(gòu)，MgF介質(zhì)層為厚度為100nm、邊長為500nm的方形介質(zhì)層，閉合式回字型結(jié)構(gòu)的周長為316nm，厚度為30nm。

如圖2所示，本實用新型所述的磁場均勻增強(qiáng)的近場光學(xué)天線，包括介質(zhì)層1及設(shè)置于介質(zhì)層1上的金屬結(jié)構(gòu)2，所述的介質(zhì)層1為MgF介質(zhì)層，該介質(zhì)層1的尺寸為500nm*500nm*100nm，所述的金屬結(jié)構(gòu)2為回字型結(jié)構(gòu)，該回字型結(jié)構(gòu)包括間斷式矩形內(nèi)腔和間斷式矩形外腔，其中間斷式矩形內(nèi)腔與間斷式矩形外腔之間的間距為35nm，所述的間斷式矩形內(nèi)腔由四個第一L形納米金屬體3和四個第一矩形納米金屬體4組成，其中四個第一L形納米金屬體3構(gòu)成間斷式矩形內(nèi)腔的四個邊角，該四個第一L形納米金屬體4的短邊水平相對且長邊豎直相對，四個第一矩形納米金屬體4分別對應(yīng)設(shè)置于第一L形納米金屬體3相對的長邊及短邊之間，該第一矩形納米金屬體4與兩側(cè)相鄰的第一L形納米金屬體3之間的間距為25nm，所述的間斷式矩形外腔由四個第二L形納米金屬體5和八個第二矩形納米金屬體6組成，其中四個第二L形納米金屬體5構(gòu)成間斷式矩形外腔的四個邊角，該四個第二L形納米金屬體5的短邊水平相對且長邊豎直相對，八個第二矩形納米金屬體6分別對應(yīng)設(shè)置于第二L形納米金屬體5相對的長邊及短邊之間，該第二矩形納米金屬體6與相鄰的第二L形納米金屬體5之間的間距及相鄰的第二矩形納米金屬體6之間的間距均為25nm。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述的第一L形納米金屬體3的長邊尺寸為80nm*30nm*30nm，第一L形納米金屬體3的短邊尺寸為50nm*30nm*30nm，第一矩形納米金屬體4的尺寸為100nm*30nm*30nm，水平設(shè)置的第一矩形納米金屬體4分別與相應(yīng)的第一L形納米金屬體3的短邊相對，豎直設(shè)置的第一矩形納米金屬體4分別與相應(yīng)的第一L形納米金屬體3的長邊相對。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述的第二L形納米金屬體5的長邊尺寸為80nm*30nm*30nm，第二L形納米金屬體5的短邊尺寸為50nm*30nm*30nm，第二矩形納米金屬體6的尺寸為305/3nm*30nm*30nm，水平設(shè)置的第二矩形納米金屬體6分別兩兩水平相對，該兩兩水平相對的第二矩形納米金屬體6分別與相應(yīng)的第二L形納米金屬體5的短邊相對，豎直設(shè)置的第二矩形納米金屬體6分別兩兩豎直相對，該兩兩豎直相對的第二矩形納米金屬體6分別與相應(yīng)的第二L形納米金屬體5的長邊相對。

利用時域有限積分方法數(shù)值模擬該近場光學(xué)天線的能流運動過程，如圖5和圖6所示，分別為在工作頻率為320.5THZ時，近場光學(xué)天線的磁場分布圖。根據(jù)場的分布情況，發(fā)現(xiàn)圖4的構(gòu)型中，環(huán)形腔內(nèi)呈現(xiàn)均勻的增強(qiáng)并且空間分布非常平坦，因此可以選擇圖4的設(shè)計形式作為磁場均勻增強(qiáng)的近場光學(xué)天線設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖。

以上實施例描述了本實用新型的基本原理、主要特征及優(yōu)點，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型原理的范圍下，本實用新型還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)均落入本實用新型保護(hù)的范圍內(nèi)。