场强度，仿真结果如图3(a)-图3(f) 所示，为了更直观的描述夹角与达到共振频率时的电场强度两者之间的关系，给出了图4。 从图3 (a)-图3 (f)、图4可以看出，本实用新型双蝶形银纳米光学天线具有较强的电场增强 效应，最大场增强出现在夹角为85°时，可以达到122. 2v/m。随着夹角角度的减小，电场增 强的分布区域逐渐由天线中心转移到了天线边缘的四个角上，同时天线上表面中心点处的 共振电场强度随之大幅度减小，由夹角85°时的122. 2v/m减小到了夹角15°时的2. 4v/ m。当夹角角度较大时，入射光垂直入射到天线表面，表面等离激元共振使天线中的电荷重 新分布，三角形天线臂的尖端处很尖锐，曲率很大，所以大量电荷移动到尖端处，从而导致 了天线中心处的电场得到了巨大增强。随着夹角角度的减小，三角形天线臂的顶角慢慢变 大其尖锐度慢慢变小，而三角形天线臂的两个底角慢慢变小尖锐度慢慢变大，共振时，电荷 从尖锐度变小的顶角慢慢移动到了尖锐度越来越大的底角处，所以电场增强的分布也随之 发生了变化，另外天线臂2之间的耦合使得天线臂2之间的间隙处也出现了电场增强。
[0031] 为了分析天线臂2的长度L对近场电场增强特性的影响，设定入射光极化方向为 水平方向、天线臂之间的夹角9 =60°、厚度40nm不变，天线臂长度L由50nm逐渐增大到 100nm，增加间隔为10nm。依据上述参数的设定对本实用新型双蝶形银纳米光学天线进行仿 真并选择天线结构上表面的中心点为观测点，记录该点处的归一化电场强度。仿真结果如 图5所示，为了突出天线臂长度与共振频率及共振时增强的电场值之间的关系，给出了图 6、图7。分析图5、图6、图7,可以得出随着天线臂2臂长的增加，共振时的共振波长随之近 似线性的增加，共振时达到的归一化电场强度总体上有增大的趋势，由L= 50nm的24. 6v/ m最大增大到L= 80nm的53. 3v/m，但并不是严格的随臂长的增加而变大，而是呈现出不规 则的变化，如L= 80nm时共振电场值为53. 3v/m，L= 90nm时却减小到了 48. 4v/m。出现上 述结果的原因由经典天线理论知，共振波长与天线尺寸有关，尺寸越大，其共振波长也就越 大，本实用新型双蝶形银纳米光学天线符合经典天线理论，其共振波长随着尺寸的变大而 红移，但与经典电磁场理论不同的是，共振波长与天线长度的比值并不是4。另外，由于臂长 的增加导致偶极矩的变大，共振强度应随之增大，但由于天线臂2之间的间隙变大，耦合作 用会减弱，所以共振强度并没有严格的随臂长的增加而增大，而是呈现出了不规则的变化。
[0032] 最后，分析激励源3所释放入射光的极化方向对近场电场分布特性的影响，设置 天线臂2的长度L= 80nm、厚度40nm、天线臂2之间的夹角0 =60°不变，入射光极化方 向在衬底1水平面上，与其水平方向的角度巾取值分别为0°、30°、45°、60°、90°。根 据不同的巾对本实用新型天线进行仿真，得到的近场电场分布图如图8(a)-图8(e)所示。 由图8(a)-图8(e)中的近场电场分布图可知，在不同极化方向的入射光作用下，本实用新 型双蝶形银纳米光学天线都会产生较强的电磁场增强，对入射光极化方向的变化表现出一 定的稳定性。以下分析以直角坐标系为参照，x轴表示水平方向，y轴表示竖直方向：
[0033] 当巾=0°时，入射光电场只在x轴方向上有分量，y轴方向上电场强度为0,入 射光x方向电场与x轴的天线臂相互作用。从图8 (a)中可以看出，电场主要分布在x轴方 向的天线臂的周围，天线臂末端电荷的积累加之x轴方向的两个天线臂之间发生的耦合作 用，使天线中心处的电场强度比其他区域的电场强度强很多。
[0034] 当巾增加到30°时，入射电场强度在x方向上的分量为0. 866v/m，y方向上的电 场强度为〇. 5v/m，入射光x方向电场与x轴的天线臂相互作用，y方向电场与y轴的天线臂 相互作用，因此x轴、y轴两个方向的银纳米条都会有表面等离激元产生，如图8 (b)所示，x 轴、y轴两个方向的天线臂的附近区域都有局域电场增强产生，但由于x方向电场分量要比 y方向分量强，因此局域电场增强效应在x方向的天线臂上更为明显。
[0035] 当巾=45°时，入射电场在x方向和y方向具有相同的分量，图8(c)为此时的局 域电场分布图，四个天线臂区域具有近乎相同的电场分布，相邻天线臂的电场耦合作用使 得中心区域的电场最强。
[0036] 当巾增加到60°时，入射电场在y方向上的电场分量要强于x方向上的电场分 量，由图8(d)所示，y方向天线臂的局域电场增强要比x方向天线臂的局域电场增强大，并 且分布区域也大。
[0037] 当巾=90°时，入射光电场只在y方向有分量，电场主要分布在y轴方向的天线 臂的周围，恰好与=0°时的电场分布相反。
[0038] 综上可知，随着夹角巾的增加，x方向电场分量逐渐减小，y方向电场分量逐渐增 大，y方向电场会与x方向天线臂产生场强增强作用，x方向天线臂与y方向天线臂之间的 电场也会发生耦合作用。因此，入射光极化方向改变时都会产生明显的电场增强，本实用新 型银纳米光学天线对于不同入射光极化方向具有一定的稳定性。
【主权项】
1. 一种双蝶形银纳米光学天线，包括设置在衬底上表面的天线臂，其特征在于，所述衬 底由玻璃介质构成，天线臂设置有四个，天线臂分别为相同的三角形结构，所述天线臂两两 相对称的设置为双蝶形，所述天线臂的长度范围为50 - lOOnm，所述相邻天线臂之间的角度 范围为15° - 85°。2. 根据权利要求1所述的一种双蝶形银纳米光学天线，其特征在于，所述衬底的规格 尺寸为 500nmX500nmX50nm。3. 根据权利要求1所述的一种双蝶形银纳米光学天线，其特征在于，所述衬底的介电 常数为1. 5。4. 根据权利要求1所述的一种双蝶形银纳米光学天线，其特征在于，所述天线臂的厚 度为40nm。5. 根据权利要求1所述的一种双蝶形银纳米光学天线，其特征在于，所述天线臂由银 纳米材料构成。
【专利摘要】本实用新型公开了一种双蝶形银纳米光学天线，包括设置在衬底上表面的天线臂，所述衬底由玻璃介质构成，天线臂设置有四个，天线臂分别为相同的三角形结构，所述天线臂两两相对称的设置为双蝶形，所述天线臂的长度范围为50-100nm，所述相邻天线臂之间的角度范围为15°—85°。本实用新型基于时域有限差分(Finite Difference Time Domain，FDTD)算法和局域表面等离激元理论分析了双蝶形银纳米光学天线的不同参数大小如天线臂之间的夹角、天线臂长度和不同的入射光极化方向对近场电场分布及近场场增强特性的影响，从而设计出工作在光学频段、具有较高局域场增强以及对入射光极化方向具有一定稳定性的金属纳米光学天线。
【IPC分类】H01Q1/38
【公开号】CN204706633
【申请号】CN201520458762
【发明人】金杰, 王冰, 张强
【申请人】天津大学
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年6月29日