一种表面增强拉曼散射和量子发射全介质纳米天线制造技术

本发明专利技术涉及一种光学纳米天线，具体涉及一种表面增强拉曼散射和量子发射全介质纳米天线，天线由7个纳米圆盘、增益纳米立方体和衬底纳米立方体组成，三者呈纵向无间隔分布；所述7个纳米圆盘由中心纳米圆盘和6个外层纳米圆盘组成，且6个纳米圆盘呈环形分布，中心纳米圆盘被嵌套在中心区域；所述7个纳米圆盘之间的间隙均相等；所述7个纳米圆盘的材质为硅，所述增益纳米立方体的材质为二氧化硅，所述衬底纳米立方体的材质为硅。该纳米天线实现了近场电场的增强和大PF因子的良好性能，在表面增强拉曼散射和量子发射等领域有着广泛的应用。该天线所表现出独特的光学特性为纳米超材料的研究提供理论和应用基础。提供理论和应用基础。提供理论和应用基础。

【技术实现步骤摘要】
一种表面增强拉曼散射和量子发射全介质纳米天线


[0001]本专利技术涉及一种光学纳米天线，具体涉及一种基于表面增强拉曼散射和量子发射的全介质纳米天线。

技术介绍

[0002]由高折射率介电材料（如硅）组成的纳米结构中，因其材料损耗小和模场体积大的优良性能而受到广泛关注。目前，用于电场增强的方法有很多，如anapole mode、Fano 共振，这些已被应用于非线性光学、表面增强拉曼散射和量子成像等领域。
[0003]Anapole mode是一种无辐射的模式，它的机理在于电偶极矩（ED）和环形偶极矩（TD）在远场区域发生空间重叠和相消干涉导致近场区域电场的增强。尽管基于这一原理已经设计出不同形状和不同配置的纳米天线结构，相应地，近场电场的性能也得到一定的改善。但是其对于实现多波长下的无辐射模式和近场电场大幅度改善的物理机制仍需要进一步的揭示。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了弥补和改善上述现有技术的不足之处，提供一种基于表面增强拉曼散射和量子发射的全介质纳米天线，该纳米天线是由7个纳米圆盘、增益纳米立方体和衬底纳米体组成的，在入射平面波的照射下，波矢平行于z轴方向，偏振平行于x轴方向。该全介质纳米天线是一种损耗极低、能够在多波长下实现anapole mode的新型纳米结构，通过运用多级分解方法证明了该双波长的anapole mode是由于远场区域电偶极矩（ED）和环形偶极矩（TD）相消干涉导致辐射明显减弱，进一步实现近场电场的增强的性能，可以应用于表面增强拉曼散射等领域。通过在将电偶极子源放置于不同位置发现，该全介质纳米天线在作为量子发射器方面具有明显的优势。本专利技术为实现近场电场的增强和高Purcell factor（PF）的纳米天线提供了理论指导，对促进表面增强拉曼散射等应用领域和提高量子发射性能具有一定的参考价值。
[0005]本专利技术采用的技术方案为：一种表面增强拉曼散射和量子发射全介质纳米天线，全介质纳米天线由7个纳米圆盘、增益纳米立方体和衬底纳米立方体组成，三者呈纵向无间隔分布；所述7个纳米圆盘由中心纳米圆盘和6个外层纳米圆盘组成，且6个纳米圆盘呈环形分布，中心纳米圆盘被嵌套在中心区域；所述7个纳米圆盘之间的间隙均相等；所述7个纳米圆盘的材质为硅，所述增益纳米立方体的材质为二氧化硅，所述衬底纳米立方体的材质为硅。
[0006]进一步的，所述7个纳米圆盘之间的间隙G为1 nm。
[0007]进一步的，所述7个纳米圆盘的直径D为80 nm，其厚度h为15 nm；所述增益纳米立方体的边长L为250 nm，其厚度为H1为5 nm；所述衬底纳米立方体的边长L为250 nm，其厚度H2为50 nm。
[0008]进一步的，全介质复合纳米天线的背景折射率为常数1，全介质纳米天线在外场的
激发下，表现出anapole mode现象。
[0009]进一步的，所述混合纳米天线的入射光为平面波，波矢平行于z轴方向，偏振平行于x轴方向。
[0010]进一步的，所述全介质纳米天线的强耦合作用可远远增强表面拉曼散射。
[0011]进一步的，所述全介质纳米天线的可提高量子发射的性能。
[0012]本专利技术的有益效果：提供了一种基于表面增强拉曼散射和量子发射的全介质纳米天线。该纳米天线通过调控电偶极矩（ED）和环形偶极矩（TD）间的相消干涉导致远场辐射明显减弱，进一步实现近场电场的大幅度提升，在表面增强拉曼散射等领域有着广泛的应用。将电偶极子源放置在该纳米天线合适的位置，可以促进大Purcell factor（PF）的实现，其所表现出的良好的光学性质为量子发射器的研究提供了理论基础。
附图说明
[0013]图1是全介质纳米天线的立体结构示意图；图2是全介质纳米天线的截面前视图；图3是全介质纳米天线的截面俯视图；图4是全介质纳米天线的放置电偶极子源的点位示意图；图5是全介质纳米天线的散射截面（SCS）曲线图；图6是全介质纳米天线的电场增强因子|E/E0|2曲线变化图；图7是全介质纳米天线的多极子展开仿真图；图8是λ=348nm时全介质纳米天线的电场增强轮廓图；图9是λ=563nm时全介质纳米天线的电场增强轮廓图；图10是λ=348nm时全介质纳米天线的磁场增强轮廓图；图11是λ=563nm时全介质纳米天线的磁场增强轮廓图；图12是全介质纳米天线的电偶极子源放置在不同位置时的PF因子曲线图。
具体实施方式
[0014]下面结合附图对本专利技术进一步说明：参照图1
‑
3，一种表面增强拉曼散射和量子发射全介质纳米天线，全介质纳米天线由7个纳米圆盘1、增益纳米立方体2和衬底纳米立方体3组成，三者呈纵向无间隔排布，所述7个纳米圆盘由中心纳米圆盘和6个外层纳米圆盘组成，且外层6个纳米圆盘呈环形分布，中心纳米圆盘被嵌套在中心区域；所述7个纳米圆盘之间的间隙均相等；所述7个纳米圆盘1的材质为硅，所述增益纳米立方体2的材质为二氧化硅，所述衬底纳米立方体3的材质为硅；所述7个纳米圆盘1之间的间隙G为1 nm；所述7个纳米圆盘1的直径D为80 nm，其厚度h为15 nm；所述增益纳米立方体2的边长L为250 nm，其厚度H1为5 nm；所述衬底纳米立方体3的边长L为250 nm，其厚度H2为50 nm；所述全介质纳米天线的入射光为平面波，其中波矢方向平行于z轴方向，偏振方向平行于x轴方向；所述全介质纳米天线的背景折射率为常数1。
[0015]通过有限元方法和多级分解法理论仿真分析本全介质光学纳米天线的特性，其计算的波长范围为316 nm—800 nm.计算中所使用的材料硅的折射率被设定为n= 3.5，材料SiO2的折射率取自Palik手册。
[0016]在分析纳米天线的性能时，光学共振模式的存在及其之间的相互作用是必不可少的物理量。不同的光学模式对电流分布、电荷分布以及远场分布都起着决定性的作用。因此，光学共振模式可由多级矩的贡献来阐述。下面展示了笛卡尔坐标系下的多极子展开式。式（1）
‑
（5）分别描述了电偶极矩ED（P
α
）、电四极矩EQ（Q
eαβ
）、磁偶极矩MD（M
α
）、磁四极矩MQ（Q
mαβ
）和旋磁偶极矩TD（T
α
）的公式。
[0017][0018]式中，c表示光速，r和J分别表示总距离向量和天线中激发的总偏振电流密度，d3r表示对距离向量r的三重积分，r
α
、r
β
表示（α,β=x,y,z）不同方向上的距离向量，J
α
、J
β
表示（α,β=x,y,z）天线中激发的不同方向上的偏振电流密度，i表示虚部单位，ω表示频率，狄拉克函数δ
αβ
表示（α,β=x,y,z）不同方向上的泰勒级数展开。
[0019]此外，几个多级矩的辐射功率I可由公式（6）来表达。
[0020][0021]式中，ε0表示真空中的介电常数，ω和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面增强拉曼散射和量子发射全介质纳米天线，其特征在于：全介质纳米天线由7个纳米圆盘（1）、增益纳米立方体（2）和衬底纳米立方体（3）组成，三者呈纵向无间隔分布；所述7个纳米圆盘由中心纳米圆盘和6个外层纳米圆盘组成，且外层6个纳米圆盘呈环形分布，中心纳米圆盘被嵌套在中心区域；所述7个纳米圆盘之间的间隙均相等；所述7个纳米圆盘（1）的材质为硅，所述增益纳米立方体（2）的材质为二氧化硅，所述衬底纳米立方体（3）的材质为硅。2.根据权利要1所述的一种表面增强拉曼散射和量子发射全介质纳米天线，其特征在于：所述7个纳米圆盘（1）之间的间隙G为1 nm。3.根据权利要1...

【专利技术属性】
技术研发人员：于训涛，王德宝，张云峰，袁红旗，吕靖薇，刘超，
申请(专利权)人：东北石油大学三亚海洋油气研究院，
类型：发明
国别省市：