【正文】 s,SPPs)。振子兩端出現(xiàn)時(shí)變異種電荷，由于反饋間隙很小，靜電耦合很強(qiáng)，從而獲得巨大的場(chǎng)增強(qiáng)；（3）也有人從天線結(jié)構(gòu)出發(fā)給出了天線增強(qiáng)因子，認(rèn)為影響場(chǎng)增強(qiáng)因子是由天線的尖端效應(yīng)、準(zhǔn)靜態(tài)、表面等離子共振共同影響。 納米光學(xué)天線的研究進(jìn)展2000年，近場(chǎng)的核心問(wèn)題是傳播場(chǎng)與隱逝場(chǎng)的有效轉(zhuǎn)換，而天線問(wèn)題同樣是傳播場(chǎng)與局域場(chǎng)之間的相互轉(zhuǎn)換。近場(chǎng)光學(xué)探針如果結(jié)合表面等離激元諧振將有更大的應(yīng)用前景。作者分析了不同形狀的天線，包括棒狀、圓盤狀、三角狀等，得出了棒狀金屬天線的場(chǎng)增強(qiáng)功能最強(qiáng)的結(jié)論。作者還將Bowtie天線間隙處的高度場(chǎng)增強(qiáng)應(yīng)用于雙光子聚合，得到了約為30 nm的分辨率。作者利用兩個(gè)相互耦合的金屬條的表面等離激元共振，在間隙處產(chǎn)生了很強(qiáng)的局域場(chǎng)，并利用該局域場(chǎng)產(chǎn)生了白光。由于天線和量子點(diǎn)之間相互耦合，量子點(diǎn)熒光增強(qiáng)而壽命減小。將光學(xué)天線與近場(chǎng)探針相結(jié)合有利于提高近場(chǎng)探測(cè)的分辨率。金屬光學(xué)天線的性質(zhì)是依賴于金屬納米顆粒的高度場(chǎng)局域特性和天線結(jié)構(gòu)的輻射特性。將金屬光學(xué)天線與掃描探針的結(jié)合也是近場(chǎng)光學(xué)研究的一個(gè)重要課題。傳統(tǒng)成像系統(tǒng)受衍射極限限制，聚焦光斑無(wú)法做到納米量級(jí)，從而限制其分辨率。2006年，Harvard小組在波長(zhǎng)為830 nm激光二極管上制作了兩個(gè)130 nm長(zhǎng)、50 nm寬、中間間隔為30 nm的金偶極天線，成功地將光束集中到只有30 nm的點(diǎn)上。2007年，微型半導(dǎo)體量子級(jí)聯(lián)(QC)激光器發(fā)明人之一———哈佛大學(xué)的Federico Capasso教授設(shè)計(jì)出了一種光學(xué)天線，通過(guò)在QC激光器上安裝該天線，實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)的精度對(duì)激光點(diǎn)聚焦，從而可以使QC激光器執(zhí)行亞微米級(jí)的掃描。使用這種更加聚焦的QC激光的頻譜－光子掃描儀能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)從半導(dǎo)體到醫(yī)療樣本的各種表面的亞微米級(jí)化學(xué)成分進(jìn)行成像。相比之前的其它技術(shù)，它的體積更小，有更好的信噪比。為提高分辨率，要求掃描探針很細(xì)（納米量級(jí)）。2007年，Bert Hecht小組在原子力顯微鏡探針端面制作一個(gè)蝴蝶結(jié)形納米光學(xué)天線，天線總長(zhǎng)度約為一個(gè)波長(zhǎng)，反饋間隙大約50 nm，用來(lái)觀測(cè)量子點(diǎn)的熒光效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)有量子發(fā)射增強(qiáng)現(xiàn)象，理論預(yù)測(cè)探針?lè)直媛蚀笮〖s為反饋間隙大小。入射光波長(zhǎng)為830 nm，TE極化波。如果在太陽(yáng)能電池面板集成可以接收中紅外線的納米光學(xué)天線，則太陽(yáng)能電池?zé)o論白天還是夜晚都可以接收大量中紅外線，有望大幅度提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化效率。美國(guó)能源部愛(ài)達(dá)荷州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ of Energy’s Idaho National Laboratory，INL）研制組負(fù)責(zé)人Steven Novack與INL的工程師Dale Kotter， Pinhero正在合作研發(fā)用于太陽(yáng)能面板的納米光學(xué)天線。在目前加工制作電子電路的工藝水平下，如利用消逝波近場(chǎng)光刻、納米壓印光刻、掃描探針光刻、表面等離子體輔助納米光刻等技術(shù)，最小的特征尺寸大約為50 nm，然而，新型的光刻技術(shù)要求能夠加工納米尺度的集成回路。采用遠(yuǎn)紫外線光或短波長(zhǎng)光作為光刻的光源，可以擴(kuò)展傳統(tǒng)光學(xué)光刻技術(shù)，但光刻成本會(huì)有大幅提高，同時(shí)，光刻所需的光學(xué)系統(tǒng)也將變得更為復(fù)雜。將80177。 高效量子單光子源目前，每個(gè)脈沖產(chǎn)生一個(gè)光子的器件已經(jīng)研制成功，存在的問(wèn)題是如何把產(chǎn)生的光子沿某一特定方向高效率地發(fā)射出去。它能將入射光場(chǎng)有效限制在亞波長(zhǎng)區(qū)域，也可使納米尺度的小顆粒輻射強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，同時(shí)改變輻射方向。發(fā)光角度取決于天線模態(tài)。Van Hulst小組將長(zhǎng)為80 nm的鋁制單偶天線接近一個(gè)發(fā)光分子，通過(guò)改變天線與光耦合方式，分子發(fā)出的光可以被重新導(dǎo)向達(dá)90176。 (a)水平偶極子輻射方向角示意圖，(b)水平偶極子耦合到垂直天線后輻射方向角示意圖 用電子顯微鏡觀察的光學(xué)天線陣列2 表面等離子體激元與金屬光學(xué)天線雖然金屬光學(xué)天線的概念源于無(wú)線電天線，但由于工作在光頻波段，它有著更豐富的物理內(nèi)涵（如光強(qiáng)增強(qiáng)、極化）。本節(jié)中作者對(duì)表面等離激元和金屬光學(xué)天線的研究現(xiàn)狀作一比較詳細(xì)的介紹。因此，可以說(shuō)它是一種表面電磁波。根據(jù)Maxwell方程及界面上的連續(xù)性邊界條件，可以得到P偏振光入射下方程的非平凡解為 （21）其中，和分別為介質(zhì)和金屬中的介電常數(shù)，和是介質(zhì)和金屬中沿垂直于界面方向上的波矢分量。而普通金屬在等離子體頻率以下為負(fù)介電常數(shù)，故一般表面等離激元出現(xiàn)在金屬介質(zhì)界面上。即S偏下表面等元無(wú)法存在，只有P偏光才能激發(fā)表面等離激元。在上述電磁場(chǎng)方程的求解過(guò)程中，可以推出表面等離激元電場(chǎng)的水平方向波矢： （22）在金屬的自由電子模型下，其介電常數(shù)滿足如下關(guān)系： （23）其中為等離激元共振頻率。該曲線總是位于相鄰介質(zhì)中光色散曲線的右側(cè)，說(shuō)明相同頻率下表面等離子體激元的波矢總是大于相鄰介質(zhì)中光的波矢。考慮入射光垂直于金屬棒入射，入射偏振平行于棒的方向?？梢杂门紭O子模型來(lái)理解金屬棒的共振。棒的兩端分別積累正負(fù)電荷。（a）奇階模式；（b）偶階模式而對(duì)于j＝2，金屬棒激發(fā)出的是偶階模式，即金屬棒中有兩個(gè)相位相反的半波。異號(hào)電荷之間形成的偶極矩大小相等，方向相反，凈偶極矩為零。也可以從宇稱的角度來(lái)理解，由于入射電場(chǎng)具有奇宇稱，因此所激發(fā)出的電場(chǎng)模式也必須是奇宇稱的。當(dāng)金屬棒的結(jié)構(gòu)相對(duì)于入射偏振方向不再具有對(duì)稱性時(shí)，如棒的結(jié)構(gòu)不再具有幾何對(duì)稱性或者金屬棒相對(duì)于入射偏振有一定的傾斜角，金屬棒的共振模式就不再具有選擇性，偶階和奇階模式都能被激發(fā)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射偏振沿Bowtie天線間隙方向時(shí)，入射光與金屬納米顆粒相互作用產(chǎn)生表面等離激元共振。共振時(shí)間隙處的電場(chǎng)強(qiáng)度的平方值為1645。實(shí)驗(yàn)中金屬棒的間距為20 nm，入射波長(zhǎng)為830 nm。當(dāng)金屬棒的長(zhǎng)度是光在金屬棒中的有效波長(zhǎng)的一半，天線達(dá)到共振。該長(zhǎng)度就是滿足/2=L共振條件的天線長(zhǎng)度。因此金屬光學(xué)天線的計(jì)算方法就是計(jì)算金屬納米顆粒電磁場(chǎng)分布的方法。利用蛙跳式(Leaf flog algorithm)空間領(lǐng)域內(nèi)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行交替計(jì)算，通過(guò)時(shí)間領(lǐng)域上更新來(lái)模仿電磁場(chǎng)的變化，達(dá)到數(shù)值計(jì)算的目的。其優(yōu)點(diǎn)是能夠直接模擬場(chǎng)的分布，精度比較高，是目前使用比較多的數(shù)值模擬的方法之一；（2）有限元方法（FEM）。該方法分析的是一種近似結(jié)果，但是能解決很多的問(wèn)題，目前應(yīng)用也比較廣泛；（3）多重多極矩法（MMP）：MMP方法是通過(guò)在計(jì)算區(qū)域邊界附近用多極矩展開來(lái)對(duì)目標(biāo)物體的電磁場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算。可以用來(lái)計(jì)算各種金屬納米結(jié)構(gòu)的頻譜響應(yīng)和電磁場(chǎng)分布。時(shí)域有限差分（FiniteDifference TimeDomain,FDTD）方法是一種基本的電磁場(chǎng)數(shù)值解法，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和完善后，衍生出多種基于該方法的數(shù)值計(jì)算軟件。有關(guān)介質(zhì)的參數(shù)被賦值給每一個(gè)空間離散點(diǎn)。在將麥克斯韋方程化為差分形式之前，需要將空間和時(shí)間變量離散化，這就需要規(guī)定離散的標(biāo)準(zhǔn)。引入符號(hào)n(,f i j k)，以表示在空間離散點(diǎn)(i, j ,k)和時(shí)間離散點(diǎn)(n)處的電場(chǎng)或磁場(chǎng)的某一分量，其具體含義是： （24）；圖 空間離散點(diǎn)的選取方式在離散點(diǎn)抽樣的時(shí)間順序上，電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替取值，抽樣時(shí)間相差半個(gè)時(shí)間步。這種取法有利于軟件作時(shí)間上的直接迭代求解，從而提高計(jì)算速度。3 不同結(jié)構(gòu)的光學(xué)天線近場(chǎng)特性研究光學(xué)天線的場(chǎng)局域功能主要體現(xiàn)在光學(xué)天線的近場(chǎng)增強(qiáng)特性。這種局域場(chǎng)場(chǎng)增強(qiáng)可以達(dá)到1000以上，可以應(yīng)用在各種非線性光學(xué)作用中，如雙光子熒光增強(qiáng)、白光產(chǎn)生等。在本章中作者系統(tǒng)的分析對(duì)偶極子、S型、V型、蝴蝶結(jié)型、內(nèi)壁為蝴蝶結(jié)型光學(xué)天線，研究不同結(jié)構(gòu)對(duì)光學(xué)天線近場(chǎng)特性的影響。光線（激勵(lì)源）射入基底并反射出來(lái)，以次透過(guò)玻璃介質(zhì)激發(fā)金屬塊的等離子體激元共振，通過(guò)探針便能檢測(cè)光學(xué)天線的近場(chǎng)特性。 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置在光頻段下，采用Drude模型來(lái)計(jì)算金的介電常數(shù)與色散的關(guān)系，理論計(jì)算得表達(dá)式如下： （31）其中是等離子頻率，是阻尼系數(shù)，等離子頻率和阻尼系數(shù)體現(xiàn)了等離子材料的衰減特性。 Drude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(guò)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(chǎng)探測(cè)器、網(wǎng)格。其中電場(chǎng)強(qiáng)度為1V/m，方向?yàn)閄軸正向。、K=1V通過(guò)以上條件得知，y=、Z=。即，最小波長(zhǎng)為375nm。 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）。作者將探針?lè)胖迷诮Y(jié)構(gòu)中心點(diǎn)處，用來(lái)探測(cè)中心點(diǎn)處X方向的電場(chǎng)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)?。╪m級(jí)）。但是網(wǎng)格越小，運(yùn)算數(shù)據(jù)越大，所需時(shí)間越長(zhǎng)，通過(guò)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。（1）近場(chǎng)分析：從探針得到在縫隙上20nm處的電場(chǎng)強(qiáng)度隨入射光頻率變化