基于表面等離子體的高增益光學(xué)天線

趙思聰

摘 要：表面等離子體共振能夠產(chǎn)生沿金屬表面?zhèn)鞑サ牟ǎ墚a(chǎn)生許多特殊的電磁現(xiàn)象。該文首先研究運(yùn)用表面等離子體共振特性而設(shè)計(jì)的處于遠(yuǎn)紅外波段偶極子天線的近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，而后根據(jù)尖端效應(yīng)，對(duì)天線的形狀進(jìn)行改變，由偶極子演變到階梯狀天線，而后逐步增加天線的階數(shù)，最后將天線的類型演化為其無窮級(jí)近似的蝶形天線。利用有限時(shí)域差分法（FDTD），對(duì)各種形狀的天線的進(jìn)行研究，得到蝶形天線具有更強(qiáng)的場(chǎng)增強(qiáng)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，擁有巨大的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)的光學(xué)天線可以使探測(cè)器獲得更高的靈敏度，還可以使激光通信獲得更長(zhǎng)的傳播距離。

關(guān)鍵詞：光學(xué)天線 表面等離子體（SPP） 場(chǎng)增強(qiáng)因子 共振

中圖分類號(hào)：O4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）03（a）-00-02

表面等離子體共振自人們掌握它的激發(fā)方式以來就因?yàn)樗挠袆e于普通電磁波物理性質(zhì)而引起人們極大的興趣和關(guān)注，成為當(dāng)前電磁和光電子領(lǐng)域非常受到關(guān)注的的研究領(lǐng)域之一。該文基于在貴金屬表面激發(fā)表面等離子體的前提下，研究在特定波段下不同形狀的光學(xué)天線的增益情況，從而得到優(yōu)化后的具有極大場(chǎng)增強(qiáng)因子的光學(xué)天線模型。

從激光通信理論中我們知道由于地表附近的大氣中存在雨、雪、氧氣分子，氮?dú)夥肿?，以及氣體溶膠等等粒子的色散與吸收作用，因而只有少數(shù)的幾個(gè)光波段能夠進(jìn)行通信，一般說來主要是以下的三個(gè)波段：1～2.5 μm，3～5 μm，8～14 μm。由于不同高度大氣的分布情況不同，因而不同的高度對(duì)應(yīng)不同的波段。對(duì)于5 km的高度和10 km的高度，8～14 μm紅外長(zhǎng)波的透射率最大。另外一方面，通常用于大氣通信的激光器為二氧化碳激光器，其波長(zhǎng)為10.6 μm，正處于最后一個(gè)通信波段。同時(shí)用于人體紅外探測(cè)的峰值波長(zhǎng)為9.65 μm也處于第三通信波段，基于此，第三個(gè)通信窗口是我們研究的重點(diǎn)。同時(shí)以上兩個(gè)工程應(yīng)用面臨一個(gè)最為重要的問題就是需要高增益的天線以提高探測(cè)的靈敏度和增加激光通信的距離?；谝陨媳尘?，該文主要探究在表面等離子共振下不同天線的場(chǎng)增強(qiáng)因子。

1 仿真細(xì)節(jié)

在電磁研究領(lǐng)域，常用的計(jì)算方法主要有：有限時(shí)域差分，有限元法，矩量法平面波展開法等等。同時(shí)基于這些計(jì)算方法開發(fā)出了很多商業(yè)仿真軟件，在該文中采用的是時(shí)域有限差分法，有限時(shí)域差分（FDTD）是很精確而且常用的方法，它的基本原理是通過對(duì)麥克斯韋方程的旋度方程進(jìn)行離散化的處理，推導(dǎo)出一組在時(shí)域和空域離散化的克斯韋方程。在計(jì)算過程中，根據(jù)中心差分原理對(duì)兩邊的電磁場(chǎng)取均值，當(dāng)網(wǎng)格劃分足夠細(xì)小時(shí)，能夠得到很高的精度，此種方法的缺點(diǎn)對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存消耗很大，占用的資源比較多，優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)網(wǎng)格劃分合理時(shí)，能夠得到很高的精度。其他的計(jì)算方法也各有優(yōu)缺點(diǎn)。

2 各種結(jié)構(gòu)天線的光學(xué)特性

2.1 一階偶極子光學(xué)天線的光學(xué)特性

2.2 二階以及多階偶極子光學(xué)天線的光學(xué)特性

在上述討論中提到天線間隙之間的靜電作用，考慮到靜電效應(yīng)中的尖端效應(yīng)亦即在同一帶電導(dǎo)體上，其尖端部位面電荷密度較大，導(dǎo)致尖端附近的電場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)，根據(jù)這一原理可以對(duì)天線的形狀進(jìn)行改變，以使在天線的間隙處得到更大的電場(chǎng)強(qiáng)度。由偶極子演變到階梯狀天線，同時(shí)逐步增加天線的階數(shù)，最后將天線的類型演變?yōu)槠錈o窮級(jí)近似的蝶形天線。

2.3 蝶形光學(xué)天線的光學(xué)特性

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)出基于表面等離子體共振處于遠(yuǎn)紅外波段的光學(xué)天線，隨著天線形狀的變化，天線的場(chǎng)增強(qiáng)因子發(fā)生變化。

從表1中可以明顯的看到，隨著偶極子天線階梯級(jí)數(shù)的增加，光學(xué)天線的場(chǎng)增強(qiáng)因子變大，由于尖端效應(yīng)蝶形天線的增強(qiáng)因子最大，達(dá)到這樣大的增強(qiáng)，在紅外成像和紅外探測(cè)中可以探測(cè)到微弱的紅外信號(hào)，同時(shí)可以很好的解決激光通信中微弱信號(hào)的接受問題，因而能加大通信的

距離。

參考文獻(xiàn)

[1] 顏海峰，楊景，吳曉飛.共振光學(xué)天線的增強(qiáng)特性研究[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，43（5）：639-642.

[2] 葛德彪，閻玉波.電磁波時(shí)域有限差分法[M].2版.西安：西安電子科技大學(xué)，2005.

[3] Edward D.Palik.Handbook of optical constants of solids[M].New Yok：Academic Press，INC.，1985.

[4] 鄒偉金，傅繼武，穆佳麗.高精度激光干涉條紋中心及半徑提取的方法研究[J].電光與控制，2010（12）.

[5] 郝進(jìn)欣.基于表面等離子體激元的金屬結(jié)構(gòu)濾波器設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程，2012（11）.