纳米光学天线研究现状及进展

摘要：基于spp共振效应的纳米天线结构能有效收集光的能量,并将它限制在亚波长尺度，其巨大的局域场增强效应为纳米光子学大范围的应用提供了广阔的前景，例如，纳米尺度内光信息的处理和传播，近场显微镜超分辨率成像，高效太阳能电池，超高密度近场光存储，纳米光刻，量子单光子源，高效率纳米电磁波集中器，高灵敏度生化传感器等。文章在介绍纳米天线的基本构造和工作原理的基础上，综述了其在多个领域的应用。

关键词： 表面等离子共振；超分辨率成像；纳米天线

0 引言

天线在微波射频领域早已获得广泛应用，比如广播电视系统 蜂窝移动通信系统 卫星电话电视系统 雷达等等，然而，在光频段电磁波 波长已小至微米量级，要实现光学天线，即将光波高效耦合到亚波长量级(纳米量级)器件中却并非易事 传统的光波聚焦主要靠透镜，受衍射效应影响，其聚焦光斑大小或者传播光束直径一般只能限制在微米量级的线度范围，无法实现纳米量级的聚焦。随着微细加工技术和集成光学的不断发展，光学元器件的不断小型化已经接近光的衍射极限，如何获得突破衍射极限的各种微纳光子器件以实现纳米全光集成芯片是纳米光子学研究领域亟待解决的技术难题。1998 年，Ebbesen[1]在Nature 上发表的亚波长金属小孔阵列结构异常透过现象的实验结果让人们看到了破解难题的曙光。该实验结果表明，金属小孔阵列的透过光强不仅远高于经典衍射理论计算结果，而且大于按照小孔所占金属表面的面积比的计算结果。这就意味着照在小孔之间的长波长光通过某种方式穿过了亚波长的金属孔，突破了传统衍射极限。之后，关于微纳金属结构电磁场特性的理论和应用研究迅速展开，提出了很多新颖的纳米光子器件，比如金属纳米颗粒波导[2]、金属表面等离子体（SPPs）、反射器[3]SPP、谐振腔[4]spp、完美透镜[5]以及本文讨论的纳米光学天线等等。

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