基于表面等離子體的高增益光學天線

趙思聰

摘 要：表面等離子體共振能夠產生沿金屬表面傳播的波，能產生許多特殊的電磁現象。該文首先研究運用表面等離子體共振特性而設計的處于遠紅外波段偶極子天線的近場增強效應，而后根據尖端效應，對天線的形狀進行改變，由偶極子演變到階梯狀天線，而后逐步增加天線的階數，最后將天線的類型演化為其無窮級近似的蝶形天線。利用有限時域差分法（FDTD），對各種形狀的天線的進行研究，得到蝶形天線具有更強的場增強。在實際的工程應用中，擁有巨大的場增強效應的光學天線可以使探測器獲得更高的靈敏度，還可以使激光通信獲得更長的傳播距離。

關鍵詞：光學天線 表面等離子體（SPP） 場增強因子 共振

中圖分類號：O4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（a）-00-02

表面等離子體共振自人們掌握它的激發方式以來就因為它的有別于普通電磁波物理性質而引起人們極大的興趣和關注，成為當前電磁和光電子領域非常受到關注的的研究領域之一。該文基于在貴金屬表面激發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天線的增益情況，從而得到優化后的具有極大場增強因子的光學天線模型。

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，氮氣分子，以及氣體溶膠等等粒子的色散與吸收作用，因而只有少數的幾個光波段能夠進行通信，一般說來主要是以下的三個波段：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，因而不同的高度對應不同的波段。對于5 km的高度和10 km的高度，8～14 μm紅外長波的透射率最大。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，其波長為10.6 μm，正處于最后一個通信波段。同時用于人體紅外探測的峰值波長為9.65 μm也處于第三通信波段，基于此，第三個通信窗口是我們研究的重點。同時以上兩個工程應用面臨一個最為重要的問題就是需要高增益的天線以提高探測的靈敏度和增加激光通信的距離。基于以上背景，該文主要探究在表面等離子共振下不同天線的場增強因子。

1 仿真細節

在電磁研究領域，常用的計算方法主要有：有限時域差分，有限元法，矩量法平面波展開法等等。同時基于這些計算方法開發出了很多商業仿真軟件，在該文中采用的是時域有限差分法，有限時域差分（FDTD）是很精確而且常用的方法，它的基本原理是通過對麥克斯韋方程的旋度方程進行離散化的處理，推導出一組在時域和空域離散化的克斯韋方程。在計算過程中，根據中心差分原理對兩邊的電磁場取均值，當網格劃分足夠細小時，能夠得到很高的精度，此種方法的缺點對計算機的內存消耗很大，占用的資源比較多，優點是當網格劃分合理時，能夠得到很高的精度。其他的計算方法也各有優缺點。

2 各種結構天線的光學特性

2.1 一階偶極子光學天線的光學特性

2.2 二階以及多階偶極子光學天線的光學特性

在上述討論中提到天線間隙之間的靜電作用，考慮到靜電效應中的尖端效應亦即在同一帶電導體上，其尖端部位面電荷密度較大，導致尖端附近的電場強度較強，根據這一原理可以對天線的形狀進行改變，以使在天線的間隙處得到更大的電場強度。由偶極子演變到階梯狀天線，同時逐步增加天線的階數，最后將天線的類型演變為其無窮級近似的蝶形天線。

2.3 蝶形光學天線的光學特性

3 結語

設計出基于表面等離子體共振處于遠紅外波段的光學天線，隨著天線形狀的變化，天線的場增強因子發生變化。

從表1中可以明顯的看到，隨著偶極子天線階梯級數的增加，光學天線的場增強因子變大，由于尖端效應蝶形天線的增強因子最大，達到這樣大的增強，在紅外成像和紅外探測中可以探測到微弱的紅外信號，同時可以很好的解決激光通信中微弱信號的接受問題，因而能加大通信的

距離。

參考文獻

[1] 顏海峰，楊景，吳曉飛.共振光學天線的增強特性研究[J].北京大學學報，2007，43（5）：639-642.

[2] 葛德彪，閻玉波.電磁波時域有限差分法[M].2版.西安：西安電子科技大學，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] 郝進欣.基于表面等離子體激元的金屬結構濾波器設計[J].價值工程，2012（11）.