[发明专利]一种基于硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构

说明书

本发明涉及一种光学纳米天线，具体涉及一种基于硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构，天线结构由三个纳米球以沿x＝y轴对称的形式构成，三个纳米球的直径D为200‑280nm，位于对称轴两侧的纳米球与位于对称轴心的纳米球之间的距离为0；纳米球的材质为高介电材料硅。该结构可用于调节远场方向特性，入射波的波矢平行于X轴方向，偏振平行于Y轴方向。利用多级分解的方法分析，该结构是一类既支持电偶极，磁偶极共振，又支持电四极，环形偶极共振的结构，这些共振模式的耦合作用实现了高介电材料硅纳米球三聚体结构的远场单向性散射。还为实现远场的单向性可控纳米天线提供了坚实的理论基础。

技术领域：

本发明涉及一种光学纳米天线，具体涉及一种基于硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构。

背景技术：

纳米粒子为纳米光子学器件提供了各种各样的功能，如场增强、表面增强拉曼散射(SERS)、成像和可视化等，已成为光散射领域最热门的研究课题之一，光学纳米天线由于其具有强吸收以及将入射光引导到纳米尺度上特定方向的特性在生物传感，光发射装置，光学显微镜等领域有广泛的应用和很大的潜力。纳米光学天线作为电磁波的媒介，结合了传统微波天线的优势，是可以将自由空间的电磁能量与局域场电磁能量互相转化的有效工具，实现电磁波传输场和局域场之间的相互转换。随着纳米光学的不断成熟，纳米科学可以作为一种新的技术控制实现对光散射的控制，抑制后向散射的同时提高前向散射。同时纳米天线的散射和辐射的电磁场在远场会产生相干作用，导致远场辐射特性发生变化。因此设计出具有良好远场特性的纳米光学天线具有重要的研究和应用价值。由于金属纳米颗粒折射率的虚部大导致其在可见光范围内有较大损耗，限制了金属结构在光波段的性能和应用，而高折射率介质材料相比于金属纳米材料在可见光范围内能够显著的降低光学损耗，理论和实验也不断证明具有高介电常数的介电材料在近红外和可见光范围内能激发强磁共振，为光学波段定向散射的实现和应用带来了新的希望，这使得高介电纳米天线的散射特性受到了广泛关注。

1983年，Kerker等人在研究磁性小球的光散射效应中，提出磁性颗粒支持的电模式和磁模式通过相互作用能够实现对光散射方向的控制，在特定波长处，通过多极矩辐射能量的耦合作用可以近似满足Kerker，随着研究者的不断深入，利用球状、柱状纳米颗粒，纳米核壳结构及三聚体等人工结构可以产生强的磁响应，它和结构本身的电响应相互作用能够实现光学波段的定向散射。

发明内容：

本发明的目的是提出了一种由高介电材料硅纳米球三聚体构成的新颖的光学纳米天线结构的设计方案，可用于调节远场方向特性，入射波的波矢平行于X轴方向，偏振平行于Y轴方向。利用多级分解的方法分析，该结构是一类既支持电偶极，磁偶极共振，又支持电四极，环形偶极共振的结构，这些共振模式的耦合作用实现了高介电材料硅纳米球三聚体结构的远场单向性散射。在此，本发明还论证了在硅纳米球三聚体中，如果高阶矩得到适当的平衡并在两种不同波长下达到广义克尔条件，散射方向性就可以进一步提高，还可以将光学纳米天线的工作范围由可见光区域拓宽至近红外区域。本发明为实现远场的单向性可控纳米天线提供了坚实的理论基础。

本发明采用的技术方案为：一种基于硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构，所述天线结构由三个纳米球以沿x＝y轴对称的形式构成，三个纳米球的直径D为200-280nm，位于对称轴两侧的纳米球与位于对称轴心的纳米球之间的距离为0；所述纳米球的材质为高介电材料硅。

进一步地，所述纳米球的直径D为240nm，位于对称轴两侧的纳米球与位于对称轴心的纳米球球心之间的距离L为240nm。

进一步地，所述硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构的背景折射率为常数1，硅纳米球三聚体纳米天线在外场的激发下，会产生局域表面等离子体共振现象。

进一步地，所述硅纳米球三聚体的单向性光学纳米天线结构的入射光为平面波，波矢平行于X轴方向，偏振平行于Y轴方向，磁场方向平行于Z轴。