【文章內(nèi)容簡介】 ude模型參數(shù)在不同頻率下，Drude模型系數(shù)如下： 不同頻率下的模型系數(shù)系數(shù)所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表所示： 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)基底金屬塊縫隙相對(duì)介電常數(shù)(玻璃)Drude（金）1（空氣）尺寸（nm）500*500*80100*40*4030*40*40具體模型結(jié)構(gòu)如下圖： 對(duì)偶極子天線的三維結(jié)構(gòu) 天線其它設(shè)置通過對(duì)天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置，便需設(shè)置如下條件：激勵(lì)、頻率范圍、邊界條件、背景材料、探針、場探測器、網(wǎng)格。（1）激勵(lì)源：平面波激勵(lì)如下圖所示，激勵(lì)源以與Z軸成角的傳播方向入射。其中電場強(qiáng)度為1V/m，方向?yàn)閄軸正向。 入射光平面視圖從上圖可知，令入射光中=70176。、K=1V通過以上條件得知，y=、Z=。 平面波激勵(lì)下的天線（2）頻率范圍：頻率掃描從0THz800THz。即，最小波長為375nm。（3）邊界條件：將邊界條件設(shè)置為無限大自由空間，以使電磁波能被邊界吸收，避免出現(xiàn)信號(hào)串?dāng)_，下圖為所設(shè)置的邊界條件。 邊界條件（4）背景材料：為了模擬現(xiàn)實(shí)使用環(huán)境，將背景材料設(shè)置成空氣（==1）。（5）探針：探針是為了檢測所放置位置的電磁場值。作者將探針放置在結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)處，用來探測中心點(diǎn)處X方向的電場特性。（6）場探測器：分別設(shè)置為近場與遠(yuǎn)場探測器，以檢測天線近場、遠(yuǎn)場特性。（7）網(wǎng)格：從上面推導(dǎo)可知，等離子體激元震蕩相當(dāng)小（nm級(jí)）。所以必須要將網(wǎng)格設(shè)置足夠小，才能精確的體現(xiàn)等離子體激元共振。但是網(wǎng)格越小，運(yùn)算數(shù)據(jù)越大，所需時(shí)間越長，通過仿真演算，將網(wǎng)格設(shè)置如下圖（）所示，便能精確體現(xiàn)等離子體激元共振。 網(wǎng)格設(shè)置，因?yàn)榛赘?0nm，在Z軸上有10個(gè)網(wǎng)格，即平均網(wǎng)格大小為8nm。（1）近場分析：從探針得到在縫隙上20nm處的電場強(qiáng)度隨入射光頻率變化的曲線。 從探針?biāo)玫膱鰪?qiáng)隨頻率變化曲線由上圖可知，（）時(shí)，電場強(qiáng)度達(dá)到最大值。，光強(qiáng)增強(qiáng)246倍。為了與上面所提到的文章結(jié)果作比較，先將電場轉(zhuǎn)換成。在同為激勵(lì)=1V/m下，比較圖如下： 光強(qiáng)比較圖上圖中，右上角的圖為所引證文章中的光強(qiáng)隨波長變化曲線，左下圖為本節(jié)所仿真得到的光強(qiáng)隨波長變化曲線。引證文章中，光強(qiáng)最大值出現(xiàn)在入射波長=760nm處，結(jié)果與作者所得結(jié)果相近，誤差約為5%，誤差原因有如下：①兩者金的介電常數(shù)不一樣。②引證文章使用Green’s tensor（格林張量）的方法進(jìn)行仿真，而本處使用FDTD（有限時(shí)域差分）方法，所以會(huì)導(dǎo)致些許差異。下圖為天線XY面的近電場圖： 天線近電場圖（XY面）由上圖可知，電場在X方向得到顯著的加強(qiáng)，在結(jié)構(gòu)中心處（縫隙）電場值達(dá)到最大。（2）遠(yuǎn)場分析： 天線遠(yuǎn)場圖由圖可知，納米光學(xué)天線的遠(yuǎn)場特性不像微波天線與射頻天線那么強(qiáng)，從而說明等離子體激元波長相當(dāng)小，還不足以激發(fā)到遠(yuǎn)場。 改進(jìn)型對(duì)偶極子天線（1）光波長與天線長度關(guān)系： 當(dāng)光通過介質(zhì)射入金屬時(shí)，其波長會(huì)發(fā)生改變，經(jīng)推導(dǎo)得到波長公式如下： （3—2）其中是介質(zhì)（即基底）的介電常數(shù)；和分別是金屬介電常數(shù)的實(shí)部和虛部,其中虛部越大，傳播波長越短；為在金屬中傳播波長。 在本例中，入射光波長為810nm；；，帶入計(jì)算得≈36um。在微波與射頻天線中有1/2天線與1/4天線構(gòu)造，當(dāng)天線長度等于1/2或1/4時(shí)，天線接收性質(zhì)最好。但因等離子體激元激發(fā)波長只有幾個(gè)nm，這就造成要想仿真出1/2或1/4光學(xué)天線，必須要使網(wǎng)格相匹配。即在一維坐標(biāo)下需要1K以上的網(wǎng)格，三維下需1G以上的網(wǎng)格，必須要使用專門的大型計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真。故在本文中只仿真長度有限的光學(xué)天線結(jié)構(gòu)，以論證光學(xué)天線長度對(duì)近場特性的影響。（2）420nm光學(xué)天線：為了論證，天線長度＜1/2（18um）時(shí)，接收場強(qiáng)是否會(huì)隨天線長度增長而增強(qiáng)。只改變天線長度為420nm（金屬塊長為200nm、縫隙長為20nm），其它參數(shù)設(shè)置如上。 420nm光學(xué)天線結(jié)構(gòu) 仿真結(jié)果如下： 420nm光學(xué)天線接收場強(qiáng)由圖可知，電場強(qiáng)度達(dá)到最大值（）。上一節(jié)，電場強(qiáng)度達(dá)到最大值（ V/m）。對(duì)比可知，增長光學(xué)天線長度可以在更小的頻率（更長波長）下，所接收的電場強(qiáng)度更強(qiáng)。（3）620nm光學(xué)天線：為了驗(yàn)證上面的推斷，即天線長度＜1/2下，增長光學(xué)天線長度可以在更小的頻率（更長波長）下，所接收的電場強(qiáng)度更強(qiáng)。現(xiàn)設(shè)計(jì)一個(gè)620nm的對(duì)偶極子光學(xué)天線（300nm長的金屬塊、20nm長的縫隙），其它參數(shù)設(shè)置如上。仿真結(jié)果如下： 620nm光學(xué)天線接收場強(qiáng)由圖可知，電場強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在f=167THz。（4）總結(jié)：結(jié)合以上結(jié)果，可得到對(duì)偶極子型光學(xué)天線的長度與最大電場強(qiáng)度的關(guān)系，如下表： 天線長度與電場峰值光系天線長度（nm）220420620頻率點(diǎn)（THz）167電場場強(qiáng)（V/m）從上表可看出，隨著天線長度增長，電場峰值所在的頻率點(diǎn)更?。ǜL的光波長），所得到的電場峰值更強(qiáng)。即在1V/m的入射場強(qiáng)激勵(lì)下，光強(qiáng)增強(qiáng)1426倍。 S型光學(xué)天線因?yàn)楣鈱W(xué)天線還是一個(gè)新領(lǐng)域，需要大量的實(shí)驗(yàn)來探索與研究光學(xué)天線的特性?，F(xiàn)特設(shè)計(jì)一種中間有縫隙的S型結(jié)構(gòu)天線來仿真，以研究光學(xué)天線對(duì)偏振的影響。 與之前對(duì)偶極子光學(xué)天線相比較，此處只改變基底尺寸、金屬形狀與尺寸、探針位置與方向；即基底與金屬的材料、背景材料、邊界條件、激勵(lì)源、掃描頻率、網(wǎng)格大小等不變。天線結(jié)構(gòu)如下： 天線結(jié)構(gòu)基底大小為（500nm*400nm*80nm）；金屬為兩個(gè)內(nèi)外半徑為（75nm、115nm）的半圓環(huán)，高為40nm；縫隙（40nm*20nm*40nm）中點(diǎn)與基底中點(diǎn)重合。探針：放置兩個(gè)分別朝向X、Y軸的探針在縫隙中點(diǎn)處。 仿真結(jié)果下圖為沿著X軸的探針結(jié)果： 沿著X軸的探針結(jié)果從上圖可知，在f=，場強(qiáng)最大（）。下圖為探針沿著Y軸所得結(jié)果：當(dāng)f=198THz時(shí)，場強(qiáng)最大（）。 總結(jié)因?yàn)榧?lì)源只在X方向有電場（1V/m）,經(jīng)S型光學(xué)天線作用后，所得結(jié)果中Y方向的場強(qiáng)遠(yuǎn)大于X方向的場強(qiáng)?？梢缘弥?，激勵(lì)源沿著Y軸方向的偏振強(qiáng)于沿著X軸的方向。這是由于S型光學(xué)天線的縫隙沿著Y軸，縫隙兩端的天線邊沿發(fā)生表面等離子體激元共振，見下圖： 200THz時(shí)S型天線電場圖（a）XY面俯視圖（b）縫隙局部放大圖 800THz時(shí)S型天線縫隙局部放大圖，縫隙處的表面等離子體激元共振主要發(fā)生在Y方向，尖端處有少量X方向的分量； THz時(shí)，縫隙處的電場分布X、Y、Z方向都有分布，場量較小，其中X方向的電場相對(duì)較強(qiáng)。在X方向偏振的激勵(lì)經(jīng)S型光學(xué)天線的等離子體激元共振，能將電場轉(zhuǎn)化成Y方向的偏振，起到X—Y偏振態(tài)轉(zhuǎn)化的作用。聯(lián)系對(duì)偶極子天線的結(jié)果可看出，S型天線最大諧振發(fā)生在較小的頻率值（更場的波長），而且由表面等離子體激元共振得到的電場值更強(qiáng)（ V/m），光強(qiáng)放大1958倍。通過以上分析，S型光學(xué)天線能起到X—Y方向偏振態(tài)轉(zhuǎn)化的功能，可利用其功能在光通信方面對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)等作用，并且S型光學(xué)天線能將光強(qiáng)放大約2000倍，在利用太陽能方面前景廣闊。 V型光學(xué)天線V形天線是無線電天線中一種常用的天線，與對(duì)稱偶極子相比，具有方向系數(shù)大、副瓣電平低等優(yōu)點(diǎn)。天線將無限電波轉(zhuǎn)換為電流，體現(xiàn)的天線的場局域特性。V形天線的方向系數(shù)使得其場局域功能更強(qiáng)。在本節(jié)，利用V型天線的方向系數(shù)大的作用，研究在光頻段下，V型光學(xué)天線的近場特性。 結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)置在本節(jié)只改變基底形狀與大小、金屬形狀與大小、探針位置，其它參數(shù)設(shè)置如上。所設(shè)計(jì)金屬塊呈金字塔狀，底為80nm*80nm，頂20nm*20nm，高為60nm。金屬為四周覆蓋式，厚度為30nm；玻璃介質(zhì)的基地嵌入金屬塊中。 XY面的俯視圖 （a）XZ面得正視圖（b）XZ面得截面圖由上可知，介質(zhì)的四周被金屬完全覆蓋，只有上下兩端與空氣接觸。以使激勵(lì)透過介質(zhì)在金屬內(nèi)壁傳播，在內(nèi)壁觸發(fā)表面等離子體激元共振。 仿真結(jié)果V型天線的仿真結(jié)果如下：如圖所示，探針在（40nm、40nm、52nm）， THz，并且信號(hào)有很大的帶寬。下圖為場強(qiáng)的dB圖： V型天線的接收電場強(qiáng)度（dB）。頻率從355THz到590THz場強(qiáng)都在20dBV/m左右，具有很大的帶寬。（a）25（b）35（c）40（d）45（e）52（單位nm）從上圖可看出，在V型天線中，從低到高電場強(qiáng)度依次增強(qiáng)，即在中V型光學(xué)天線，隨所處高度增高，場強(qiáng)增強(qiáng)。原因是因?yàn)閂型天線具有很好的方向性，低處信號(hào)高處信號(hào)形成干涉，從而使高處的場強(qiáng)得到加強(qiáng)，也使高處的場強(qiáng)帶寬增長。 總結(jié)對(duì)比對(duì)偶極子與S型光學(xué)天線，V型光學(xué)天線具有很好的方向性，使得電場具有很好的帶寬性。頻率從355THz到590THz場強(qiáng)都在20dBV/m左右，即波長從508—845nm（覆蓋可見光中的紅、橙、黃、綠與部分紅外線）。因?yàn)槠涔鈴?qiáng)放大100倍以上，依然具有不錯(cuò)的放大作用。在利用太陽能方面，就有很強(qiáng)的光譜放大特性，無論白天還是黑夜都可以吸收大量紅外線，有望大幅度提高太陽能的轉(zhuǎn)化效率；而且利用其對(duì)