基于表面等离子体的高增益光学天线

摘 要：表面等离子体共振能够产生沿金属表面传播的波，能产生许多特殊的电磁现象。该文首先研究运用表面等离子体共振特性而设计的处于远红外波段偶极子天线的近场增强效应，而后根据尖端效应，对天线的形状进行改变，由偶极子演变到阶梯状天线，而后逐步增加天线的阶数，最后将天线的类型演化为其无穷级近似的蝶形天线。利用有限时域差分法（FDTD），对各种形状的天线的进行研究，得到蝶形天线具有更强的场增强。在实际的工程应用中，拥有巨大的场增强效应的光学天线可以使探测器获得更高的灵敏度，还可以使激光通信获得更长的传播距离。

关键词：光学天线 表面等离子体（SPP） 场增强因子 共振

中图分类号：O4 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2013）03（a）-00-02

表面等离子体共振自人们掌握它的激发方式以来就因为它的有别于普通电磁波物理性质而引起人们极大的兴趣和关注，成为当前电磁和光电子领域非常受到关注的的研究领域之一。该文基于在贵金属表面激发表面等离子体的前提下，研究在特定波段下不同形状的光学天线的增益情况，从而得到优化后的具有极大场增强因子的光学天线模型。

从激光通信理论中我们知道由于地表附近的大气中存在雨、雪、氧气分子，氮气分子，以及气体溶胶等等粒子的色散与吸收作用，因而只有少数的几个光波段能够进行通信，一般说来主要是以下的三个波段：1～2.5 μm，3～5 μm，8～14 μm。由于不同高度大气的分布情况不同，因而不同的高度对应不同的波段。对于5 km的高度和10 km的高度，8～14 μm红外长波的透射率最大。另外一方面，通常用于大气通信的激光器为二氧化碳激光器，其波长为10.6 μm，正处于最后一个通信波段。同时用于人体红外探测的峰值波长为9.65 μm也处于第三通信波段，基于此，第三个通信窗口是我们研究的重点。同时以上两个工程应用面临一个最为重要的问题就是需要高增益的天线以提高探测的灵敏度和增加激光通信的距离。基于以上背景，该文主要探究在表面等离子共振下不同天线的场增强因子。

1 仿真细节

在电磁研究领域，常用的计算方法主要有：有限时域差分，有限元法，矩量法平面波展开法等等。同时基于这些计算方法开发出了很多商业仿真软件，在该文中采用的是时域有限差分法，有限时域差分（FDTD）是很精确而且常用的方法，它的基本原理是通过对麦克斯韦方程的旋度方程进行离散化的处理，推导出一组在时域和空域离散化的克斯韦方程。在计算过程中，根据中心差分原理对两边的电磁场取均值，当网格划分足够细小时，能够得到很高的精度，此种方法的缺点对计算机的内存消耗很大，占用的资源比较多，优点是当网格划分合理时，能够得到很高的精度。其他的计算方法也各有优缺点。

2 各种结构天线的光学特性

2.1 一阶偶极子光学天线的光学特性

2.2 二阶以及多阶偶极子光学天线的光学特性

在上述讨论中提到天线间隙之间的静电作用，考虑到静电效应中的尖端效应亦即在同一带电导体上，其尖端部位面电荷密度较大，导致尖端附近的电场强度较强，根据这一原理可以对天线的形状进行改变，以使在天线的间隙处得到更大的电场强度。由偶极子演变到阶梯状天线，同时逐步增加天线的阶数，最后将天线的类型演变为其无穷级近似的蝶形天线。

2.3 蝶形光学天线的光学特性

3 结语

设计出基于表面等离子体共振处于远红外波段的光学天线，随着天线形状的变化，天线的场增强因子发生变化。

从表1中可以明显的看到，随着偶极子天线阶梯级数的增加，光学天线的场增强因子变大，由于尖端效应蝶形天线的增强因子最大，达到这样大的增强，在红外成像和红外探测中可以探测到微弱的红外信号，同时可以很好的解决激光通信中微弱信号的接受问题，因而能加大通信的

距离。

参考文献

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