納米光天線寬頻帶特性研究

第一章緒論1.1研究背景和意義天線的概念于1476年由Aristotle翻譯介紹。自赫茲和馬可發(fā)明天線之后，天線就成為無(wú)線信息傳輸技的重要元素之一。在射頻領(lǐng)域，天線是將電流和磁流轉(zhuǎn)換成無(wú)線電波的設(shè)備，反之亦然，將無(wú)線電波轉(zhuǎn)換成電流。通常，這個(gè)定義比較容易理解天線發(fā)射和接收電磁波。發(fā)射天線的定義意味著它有較高的輻射效率，然而接收天線必須對(duì)無(wú)線電磁波有足夠的敏感性。1895年，GuglielmoMarconi介紹了天線收音機(jī)。在日常生活中，天線已有大量廣泛應(yīng)用，例如無(wú)線電話、電視廣播、導(dǎo)航系統(tǒng)、等等。在射頻和微波領(lǐng)域，天線是控制無(wú)線通訊的關(guān)鍵技術(shù)。目前通信系統(tǒng)需要新型的工作頻率范圍在微波或者甚高頻的天線。超高頻與和超短波天線同樣適用于航天器通信，包括人造衛(wèi)星。超高頻和超短波天線不僅用于通訊，還可可以用于地球表面的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)。并且這些天線還有其它方面非傳統(tǒng)的應(yīng)用，例如：作為環(huán)境傳感器元素。超高頻天線被成功用于乳腺腫瘤的早期診斷和過(guò)高熱的療法。需要注意的是超高頻天線和超短波天線是雷達(dá)和電波望遠(yuǎn)鏡的重要組成部分。所有的這些應(yīng)用需要經(jīng)典天線的進(jìn)一步改進(jìn)。考慮到科學(xué)的一個(gè)新分支——納米光學(xué)的出現(xiàn)，天線的定義應(yīng)該擴(kuò)展，納米光學(xué)是研究亞微米甚至納米尺度的物體對(duì)光信號(hào)的傳輸和接收特性。納米光學(xué)提出一個(gè)關(guān)于納米原件之間信息傳輸?shù)男屎头较蛐詥?wèn)題。相對(duì)于較小的組成，甚至單個(gè)分子和分子族，納米光學(xué)中的輻射源本身就是納米器件納米。作為納米天線的納米量級(jí)對(duì)象必須具有輻射效率和方向的特性。在天線輻射或者感應(yīng)電流概念有點(diǎn)不完備的情況下，如何定義這一背景下的天線是一個(gè)問(wèn)題。納米天線的術(shù)語(yǔ)也開(kāi)始在研究文獻(xiàn)中出現(xiàn)。接收納米天線是將入射光轉(zhuǎn)化成有限區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)的設(shè)備。相反地，發(fā)射天線是將光頻域中一個(gè)特定的源產(chǎn)生的有限區(qū)域的局域場(chǎng)轉(zhuǎn)化為光輻射。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和處理性能的要求也不斷提高。過(guò)去的半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，電子器件的處理速度更快、體積更小、處理能力更有效。然而等比縮小電子器件的尺寸具有極大的挑戰(zhàn)性。影響處理器速度提高的關(guān)鍵問(wèn)題是電子互連有關(guān)的熱和信號(hào)遲滯，而光互連的數(shù)據(jù)承載能力巨大。如果在分布式系統(tǒng)架構(gòu)的芯片中使用光互連，則可以為上述問(wèn)題提供解決方案。然而由于介質(zhì)光學(xué)器件受到衍射極限限制，其尺寸被限制在大約半個(gè)光波長(zhǎng)。而納米級(jí)的電子器件比介質(zhì)型的光學(xué)器件小一個(gè)或者兩個(gè)數(shù)量級(jí)。光器件的小型化和器件之間的匹配成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。所以如何獲得超衍射極限的各種光學(xué)器件是實(shí)現(xiàn)納米光學(xué)集成的基礎(chǔ)。1985年，Wessel教授發(fā)現(xiàn)金屬小顆粒有接收和發(fā)射電磁波的性質(zhì)，該現(xiàn)象類似于傳統(tǒng)的天線，基于此最早提出光天線的概念。GroberADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Grober</Author><Year>1997</Year><RecNum>161</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>161</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">161</key></foreign-keys><ref-typename="Generic">13</ref-type><contributors><authors><author>Grober,RobertD</author><author>SchoelkopfIII,RobertJ</author><author>Prober,DanielE</author></authors></contributors><titles><title>Highefficiencynear-fieldelectromagneticprobehavingabowtieantennastructure</title></titles><dates><year>1997</year></dates><publisher>GooglePatents</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"Grober,1997#161"1]于1997年提出了光天線的概念，并且構(gòu)想平面蝴蝶結(jié)型天線作為近場(chǎng)探針。1998年，Ebbesen的亞波長(zhǎng)金屬小孔陣列結(jié)構(gòu)異常透過(guò)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Ebbesen</Author><Year>1998</Year><RecNum>117</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>117</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">117</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Ebbesen,ThomasW</author><author>Lezec,HJ</author><author>Ghaemi,HF</author><author>Thio,Tineke</author><author>Wolff,PA</author></authors></contributors><titles><title>Extraordinaryopticaltransmissionthroughsub-wavelengthholearrays</title><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title><abbr-1>Nature</abbr-1><abbr-2>Nature</abbr-2></periodical><pages>667-669</pages><volume>391</volume><number>6668</number><dates><year>1998</year></dates><isbn>0028-0836</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"Ebbesen,1998#117"2]發(fā)表之后，納米結(jié)構(gòu)的電磁特性研究迅速展開(kāi)。2003年，K.B.Crozier小組制作了金屬薄膜條陣列ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Crozier</Author><Year>2003</Year><RecNum>118</RecNum><DisplayText>[3]</DisplayText><record><rec-number>118</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">118</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Crozier,KB</author><author>Sundaramurthy,A</author><author>Kino,GS</author><author>Quate,CF</author></authors></contributors><titles><title>Opticalantennas:Resonatorsforlocalfieldenhancement</title><secondary-title>JournalofAppliedPhysics</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournalOfAppliedPhysics</full-title><abbr-1>JApplPhys</abbr-1><abbr-2>J.Appl.Phys.</abbr-2></periodical><pages>4632-4642</pages><volume>94</volume><number>7</number><dates><year>2003</year></dates><isbn>0021-8979</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"Crozier,2003#118"3]，并且發(fā)現(xiàn)了金屬薄膜條陣列對(duì)紅外波段的光有較強(qiáng)的局域和增強(qiáng)效應(yīng)。2004年，W.E.Moerner等人設(shè)計(jì)了金屬蝴蝶結(jié)型天線ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Fromm</Author><Year>2004</Year><RecNum>119</RecNum><DisplayText>[4]</DisplayText><record><rec-number>119</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">119</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Fromm,DavidP</author><author>Sundaramurthy,Arvind</author><author>Schuck,PJames</author><author>Kino,Gordon</author><author>Moerner,WE</author></authors></contributors><titles><title>Gap-dependentopticalcouplingofsingle“bowtie”nanoantennasresonantinthevisible</title><secondary-title>Nanoletters</secondary-title></titles><periodical><full-title>NanoLetters</full-title><abbr-1>NanoLett</abbr-1><abbr-2>NanoLett.</abbr-2></periodical><pages>957-961</pages><volume>4</volume><number>5</number><dates><year>2004</year></dates><isbn>1530-6984</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"Fromm,2004#119"4]，得到了103量級(jí)的場(chǎng)增強(qiáng)。2005年，B.Hecht小組報(bào)道了能實(shí)現(xiàn)納米量級(jí)聚焦的金偶極光天線ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Mühlschlegel</Author><Year>2005</Year><RecNum>120</RecNum><DisplayText>[5]</DisplayText><record><rec-number>120</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">120</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Mühlschlegel,P</author><author>Eisler,H-J</author><author>Martin,OJF</author><author>Hecht,B</author><author>Pohl,DW</author></authors></contributors><titles><title>Resonantopticalantennas</title><secondary-title>science</secondary-title></titles><periodical><full-title>Science</full-title><abbr-1>Science</abbr-1><abbr-2>Science</abbr-2></periodical><pages>1607-1609</pages><volume>308</volume><number>5728</number><dates><year>2005</year></dates><isbn>0036-8075</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"Mühlschlegel,2005#120"5]，為納米成像、納米光刻等領(lǐng)域的發(fā)展提供了廣闊的應(yīng)用前景。2006年，Corozier和Capasso小組制造了金材料的納米天線，該天線能實(shí)現(xiàn)直徑40nm的紅外光斑聚焦ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Cubukcu</Author><Year>2006</Year><RecNum>121</RecNum><DisplayText>[6]</DisplayText><record><rec-number>121</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">121</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Cubukcu,Ertugrul</author><author>Kort,EricA</author><author>Crozier,KennethB</author><author>Capasso,Federico</author></authors></contributors><titles><title>Plasmoniclaserantenna</title><secondary-title>AppliedPhysicsLetters</secondary-title></titles><periodical><full-title>AppliedPhysicsLetters</full-title><abbr-1>ApplPhysLett</abbr-1><abbr-2>Appl.Phys.Lett.</abbr-2></periodical><pages>093120</pages><volume>89</volume><number>9</number><dates><year>2006</year></dates><isbn>0003-6951</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"Cubukcu,2006#121"6]。2008年，Mohammadi等人研究了金納米棒和納米球?qū)椛湓摧椛渌p率和輻射效率的影響ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Mohammadi</Author><Year>2008</Year><RecNum>122</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>122</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">122</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Mohammadi,A</author><author>Sandoghdar,V</author><author>Agio,M</author></authors></contributors><titles><title>Goldnanorodsandnanospheroidsforenhancingspontaneousemission</title><secondary-title>NewJournalofPhysics</secondary-title></titles><pages>105015</pages><volume>10</volume><number>10</number><dates><year>2008</year></dates><isbn>1367-2630</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"Mohammadi,2008#122"7]。2009年，P.Biagioni提出了不受極化方向影響的交叉天線，該天線由兩個(gè)偶極天線組成，可將任意極化方向入射的光轉(zhuǎn)化為局域增強(qiáng)的近場(chǎng)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Biagioni</Author><Year>2009</Year><RecNum>123</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>123</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">123</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Biagioni,P</author><author>Huang,JS</author><author>Duò,L</author><author>Finazzi,M</author><author>Hecht,B</author></authors></contributors><titles><title>Crossresonantopticalantenna</title><secondary-title>PhysicalReviewLetters</secondary-title></titles><periodical><full-title>PhysicalReviewLetters</full-title><abbr-1>PhysRevLett</abbr-1><abbr-2>Phys.Rev.Lett.</abbr-2></periodical><pages>256801</pages><volume>102</volume><number>25</number><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"Biagioni,2009#123"8]。2011年，HeykelAouani等人設(shè)計(jì)了梯形對(duì)數(shù)周期光天線，并且從理論和實(shí)驗(yàn)上研究該光天線的寬頻帶特性，得到了表面增強(qiáng)紅外吸收增益大約在105量級(jí)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Aouani</Author><Year>2012</Year><RecNum>170</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>170</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">170</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Aouani,Heykel</author><author>S?i?pova?,Hana</author><author>Rahmani,Mohsen</author><author>Navarro-Cia,Miguel</author><author>Hegnerova?,Kater?ina</author><author>Homola,Jir?i?</author><author>Hong,Minghui</author><author>Maier,StefanA</author></authors></contributors><titles><title>Ultrasensitivebroadbandprobingofmolecularvibrationalmodeswithmultifrequencyopticalantennas</title><secondary-title>ACSnano</secondary-title></titles><periodical><full-title>ACSnano</full-title></periodical><pages>669-675</pages><volume>7</volume><number>1</number><dates><year>2012</year></dates><isbn>1936-0851</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"Aouani,2012#170"9]。2012年，BrianJ.Roxworthy等人利用金蝴蝶結(jié)型納米天線陣列實(shí)現(xiàn)了集高捕獲效率和粒子排序功能于一體的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單粒子或者多粒子的捕獲和控制以及粒子分選，其低輸入能量的特性在生物應(yīng)用中可以有效地降低樣本的光損傷ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Roxworthy</Author><Year>2012</Year><RecNum>167</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>167</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">167</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Roxworthy,BrianJ</author><author>Ko,KasparD</author><author>Kumar,Anil</author><author>Fung,KinHung</author><author>Chow,EdmondKC</author><author>Liu,GangLogan</author><author>Fang,NicholasX</author><author>ToussaintJr,KimaniC</author></authors></contributors><titles><title>Applicationofplasmonicbowtienanoantennaarraysforopticaltrapping,stacking,andsorting</title><secondary-title>NanoLetters</secondary-title></titles><periodical><full-title>NanoLetters</full-title><abbr-1>NanoLett</abbr-1><abbr-2>NanoLett.</abbr-2></periodical><pages>796-801</pages><volume>12</volume><number>2</number><dates><year>2012</year></dates><isbn>1530-6984</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"Roxworthy,2012#167"10]。2013年，Yao等設(shè)計(jì)了石墨烯負(fù)載等離子天線。作者利用石墨烯作為可調(diào)負(fù)載，使天線在中紅外頻率區(qū)的調(diào)制范圍達(dá)到650nmADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Yao</Author><Year>2013</Year><RecNum>169</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>169</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">169</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Yao,Yu</author><author>Kats,MikhailA</author><author>Genevet,Patrice</author><author>Yu,Nanfang</author><author>Song,Yi</author><author>Kong,Jing</author><author>Capasso,Federico</author></authors></contributors><titles><title>Broadelectricaltuningofgraphene-loadedplasmonicantennas</title><secondary-title>NanoLetters</secondary-title></titles><periodical><full-title>NanoLetters</full-title><abbr-1>NanoLett</abbr-1><abbr-2>NanoLett.</abbr-2></periodical><pages>1257-1264</pages><volume>13</volume><number>3</number><dates><year>2013</year></dates><isbn>1530-6984</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"Yao,2013#169"11].近期，武漢大學(xué)鄭國(guó)興與伯明翰大學(xué)教授張霜，利用反射式納米光天線陣列，在實(shí)驗(yàn)中捕捉到愛(ài)因斯坦激光全息圖像，并且實(shí)現(xiàn)了高達(dá)80%的實(shí)測(cè)衍射效率。這一成果超越了傳統(tǒng)材料的激光全息水平，而且其制造工藝僅需一步光刻，大大簡(jiǎn)化了工藝流程。美國(guó)伊利諾斯大學(xué)研究小組基曼尼·圖森特設(shè)計(jì)了一種柱-領(lǐng)結(jié)納米天線陣列，在電子掃描顯微鏡下，通過(guò)調(diào)整陣列，可實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子光學(xué)性質(zhì)的調(diào)控。在掃描電子顯微鏡（SEM）發(fā)出的電子束的作用下，單根或多根p-BNA子陣列，可以實(shí)現(xiàn)60納米/秒的速度變形。在電子束的激發(fā)下，納米天線陣列在等離子推動(dòng)產(chǎn)下，出現(xiàn)明顯變形。2015年3月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種凹型結(jié)構(gòu)的納米天線，其尺寸為50nm。該凹形結(jié)構(gòu)的天線可以在可見(jiàn)光的寬譜范圍產(chǎn)生光熱效應(yīng)，從而為有機(jī)加氫反應(yīng)提供熱源。并且其結(jié)構(gòu)的尖端可以產(chǎn)生局部高溫。而這些特性可以通過(guò)降低結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和增大顆粒尺寸實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外的關(guān)于光天線的研究進(jìn)展備受關(guān)注。其在軍事或日常應(yīng)用前景十分廣闊，納米技術(shù)作為一種新的技術(shù)可以在控制和利用納米量級(jí)的物質(zhì)。而納米天線可以超過(guò)衍射極限，在納米量級(jí)控制光場(chǎng)。納米天線的尺寸大約是一個(gè)光波長(zhǎng)量級(jí)，所以納米制造工藝必須大10nm。納米科技和納米技術(shù)例如自上而下的納米制造工具如電臂印刷術(shù)和聚離束和自下而上的技術(shù)，使生產(chǎn)制造這種維度的納米天線成為可能。納米天線的制造工藝為納米光學(xué)器件的發(fā)展提供了新興發(fā)展的機(jī)會(huì)。近年來(lái)，納米制造工藝取得巨大進(jìn)展。同時(shí)，光和納米尺度物質(zhì)相互作用在理論和實(shí)驗(yàn)方面也發(fā)展迅速。納米光學(xué)在這一時(shí)期也蓬勃發(fā)展，這一時(shí)期最激動(dòng)人心的進(jìn)展是納米天線的概念、設(shè)計(jì)和應(yīng)用。從開(kāi)始出現(xiàn)近場(chǎng)光學(xué)和場(chǎng)增強(qiáng)光譜學(xué)這一概念，它們迅速地演變成增強(qiáng)和改變量子輻射源自發(fā)輻射、促進(jìn)光和物質(zhì)之間的相互作用、納米量級(jí)的光的非線性性以及實(shí)現(xiàn)光通訊鏈路對(duì)的的一個(gè)復(fù)雜工具。介于納米天線的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)改變對(duì)其諧振特性顯著，所以可靠和穩(wěn)定性的納米加工技術(shù)是非常必要的。多種自上而下或者自下而上的納米加工方法已經(jīng)在試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。自上而下的方法有電臂印刷術(shù)（EBL）、聚焦離子束（FIB）等。EBL的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于精細(xì)的圖案可直接刻畫，且高能電子的波長(zhǎng)小于1nm，可以有效地避免繞射效應(yīng)，用于實(shí)驗(yàn)室制作微小納米電子元件，是最佳的選擇之一。FIB方法是，首先利用液態(tài)金屬(Ga)離子源產(chǎn)生離子束，然后將離子束經(jīng)過(guò)離子槍加速,聚焦，最后照射于樣品表面從而產(chǎn)生二次電子信號(hào)取得電子像。其對(duì)表面原子利用強(qiáng)電流離子束進(jìn)行剝離,從而實(shí)現(xiàn)成微、納米級(jí)表面形貌加工。通常是以物理濺射的方式搭配化學(xué)氣體反應(yīng)，有選擇性的剝除金屬,氧化硅層或沉積金屬層。EBL和FIB的過(guò)程如圖所示。自上而下的方法通常用于制造大型的納米天線陣列。而自下而上的方法利用化學(xué)合成和納米粒子的自組裝，其結(jié)晶度非常完美，因此可以放在任何的襯底上。自上而下的方法一個(gè)缺點(diǎn)是需要確定精確的尺寸和納米位置以及組裝策略。其在精確度方面有待提高。圖1.1采用EBL和FIB制造納米天線的主要過(guò)程ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Biagioni</Author><Year>2012</Year><RecNum>279</RecNum><DisplayText>[36]</DisplayText><record><rec-number>279</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">279</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Biagioni,Paolo</author><author>Huang,Jer-Shing</author><author>Hecht,Bert</author></authors></contributors><titles><title>Nanoantennasforvisibleandinfraredradiation</title><secondary-title>ReportsOnProgressInPhysics</secondary-title></titles><periodical><full-title>ReportsOnProgressInPhysics</full-title><abbr-1>RepProgPhys</abbr-1><abbr-2>Rep.Prog.Phys.</abbr-2></periodical><pages>024402</pages><volume>75</volume><number>2</number><dates><year>2012</year></dates><isbn>0034-4885</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[40]在過(guò)去幾年里，有關(guān)光天線的科研課題不斷增加。目前，這一課題已擴(kuò)展到很多領(lǐng)域，像光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等等。而納米天線也因其獨(dú)特的性質(zhì)而在生物醫(yī)學(xué)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>vonMaltzahn</Author><Year>2009</Year><RecNum>273</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>273</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">273</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>vonMaltzahn,Geoffrey</author><author>Park,Ji-Ho</author><author>Agrawal,Amit</author><author>Bandaru,NandaKishor</author><author>Das,SaritK</author><author>Sailor,MichaelJ</author><author>Bhatia,SangeetaN</author></authors></contributors><titles><title>Computationallyguidedphotothermaltumortherapyusinglong-circulatinggoldnanorodantennas</title><secondary-title>CancerResearch</secondary-title></titles><periodical><full-title>CancerResearch</full-title><abbr-1>CancerRes</abbr-1><abbr-2>CancerRes.</abbr-2></periodical><pages>3892-3900</pages><volume>69</volume><number>9</number><dates><year>2009</year></dates><isbn>0008-5472</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"vonMaltzahn,2009#273"12]、太陽(yáng)能利用ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Catchpole</Author><Year>2008</Year><RecNum>274</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>274</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">274</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Catchpole,KR</author><author>Polman,Albert</author></authors></contributors><titles><title>Plasmonicsolarcells</title><secondary-title>OpticsExpress</secondary-title></titles><periodical><full-title>OpticsExpress</full-title><abbr-1>OptExpress</abbr-1><abbr-2>Opt.Express</abbr-2></periodical><pages>21793-21800</pages><volume>16</volume><number>26</number><dates><year>2008</year></dates><isbn>1094-4087</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"Catchpole,2008#274"13]、非線性光學(xué)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Schumacher</Author><Year>2011</Year><RecNum>275</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>275</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">275</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Schumacher,Thorsten</author><author>Kratzer,Kai</author><author>Molnar,David</author><author>Hentschel,Mario</author><author>Giessen,Harald</author><author>Lippitz,Markus</author></authors></contributors><titles><title>Nanoantenna-enhancedultrafastnonlinearspectroscopyofasinglegoldnanoparticle</title><secondary-title>Naturecommunications</secondary-title></titles><periodical><full-title>Naturecommunications</full-title></periodical><pages>333</pages><volume>2</volume><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"Schumacher,2011#275"14]、光催化ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Murdoch</Author><Year>2011</Year><RecNum>276</RecNum><DisplayText>[15]</DisplayText><record><rec-number>276</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">276</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Murdoch,M</author><author>Waterhouse,GIN</author><author>Nadeem,MA</author><author>Metson,JB</author><author>Keane,MA</author><author>Howe,RF</author><author>Llorca,J</author><author>Idriss,H</author></authors></contributors><titles><title>TheeffectofgoldloadingandparticlesizeonphotocatalytichydrogenproductionfromethanoloverAu/TiO2nanoparticles</title><secondary-title>NatureChemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>NatureChemistry</full-title><abbr-1>NatureChem</abbr-1><abbr-2>NatureChem.</abbr-2></periodical><pages>489-492</pages><volume>3</volume><number>6</number><dates><year>2011</year></dates><isbn>1755-4330</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"Murdoch,2011#276"15]以及高靈敏度檢測(cè)器ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Liu</Author><Year>2011</Year><RecNum>277</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>277</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">277</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Liu,Na</author><author>Tang,MingL</author><author>Hentschel,Mario</author><author>Giessen,Harald</author><author>Alivisatos,APaul</author></authors></contributors><titles><title>Nanoantenna-enhancedgassensinginasingletailorednanofocus</title><secondary-title>NatureMaterials</secondary-title></titles><periodical><full-title>NatureMaterials</full-title><abbr-1>NatureMater</abbr-1><abbr-2>NatureMater.</abbr-2></periodical><pages>631-636</pages><volume>10</volume><number>8</number><dates><year>2011</year></dates><isbn>1476-1122</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"Liu,2011#277"16]等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。通常，人們認(rèn)為納米天線可以從射頻天線的研究中獲取很大的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前納米光學(xué)中遇到的很多問(wèn)題，已經(jīng)被射頻天線的巨人們實(shí)驗(yàn)證實(shí)并解決。實(shí)際上，將射頻天線的概念應(yīng)用到光學(xué)領(lǐng)域非常有利。但是納米天線與傳統(tǒng)的射頻天線相比，有自身獨(dú)特的性質(zhì)。例如，存在于金屬和介質(zhì)界面的表面等離激元引起的特殊共振?；诒砻娴入x激元共振的納米天線能有效地局域電磁能量。局域表面等離激元的局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)為納米光天線的發(fā)展和提供了廣闊的應(yīng)用前景。1.2表面等離激元和局域表面等離激表面等離子體（SurfacePlasmons，SPs）是一種電磁表面波，于1907年由Zenneck提出。等離子體又稱為電漿，是一種類似氣體狀的物質(zhì)，該物質(zhì)由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成。它存在于兩種媒質(zhì)的邊界。兩這種邊界由無(wú)耗媒質(zhì)和有耗或者金屬組成。表面等離子體在界面面處場(chǎng)強(qiáng)最大，在垂直于界面方向隨著遠(yuǎn)離界面的距離呈指數(shù)衰減，它能夠被電子或光波激發(fā)。最常見(jiàn)的等離子體存在于金屬與介質(zhì)的分界面處，存在于金屬表面的自由振動(dòng)的電子，受到光子的作用，會(huì)在金屬表面產(chǎn)生一種沿著金屬介質(zhì)分界面方向傳輸?shù)氖杳懿?，如圖1.2所示。金屬/介質(zhì)處的自由電子氣在電磁場(chǎng)的激發(fā)下所產(chǎn)生的集體振蕩。當(dāng)電子的振蕩頻率等于電磁場(chǎng)的頻率時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振，這時(shí)形成的電磁模式稱為表面等離激元(SurfacePlasmonPolaritons,SPPs)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Raether</Author><Year>1988</Year><RecNum>115</RecNum><DisplayText>[17,18]</DisplayText><record><rec-number>115</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">115</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Raether,H</author></authors></contributors><titles><title>SurfacePlasmons,Vol.111</title><secondary-title>SpringerTractsinModernPhysics</secondary-title></titles><periodical><full-title>SpringerTractsInModernPhysics</full-title><abbr-1>SpringerTrModPhys</abbr-1><abbr-2>SpringerTr.Mod.Phys.</abbr-2></periodical><dates><year>1988</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Barnes</Author><Year>2003</Year><RecNum>116</RecNum><record><rec-number>116</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">116</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Barnes,WilliamL</author><author>Dereux,Alain</author><author>Ebbesen,ThomasW</author></authors></contributors><titles><title>Surfaceplasmonsubwavelengthoptics</title><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title><abbr-1>Nature</abbr-1><abbr-2>Nature</abbr-2></periodical><pages>824-830</pages><volume>424</volume><number>6950</number><dates><year>2003</year></dates><isbn>0028-0836</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[HYPERLINK\o"Raether,1988#115"17,HYPERLINK\o"Barnes,2003#116"18]。圖1.2TM極化的電磁波與金屬作用產(chǎn)生的表面等離激元示意圖。而電磁波有TE與TM兩種偏振方式，下面介紹金屬分別在TE和TM兩種不同偏振方向電磁波的照射，金屬介質(zhì)界面處的等離子體情況。首先考慮TE極化的電磁波，由于TE極化的電磁波在介質(zhì)與金屬的分界面處，只存在沿著金屬與界面方向的連續(xù)的水平電磁分量，因此TE極化的電磁波波不能在金屬表面產(chǎn)生SPPs。對(duì)于TM極化的電磁波有： (1-2-1) (1-2-2)電場(chǎng)與磁場(chǎng)在金屬與介質(zhì)的分界處須滿足連續(xù)性條件如下： (1-2-3)式中，表示介質(zhì)的介電系數(shù)，是金屬的介電系數(shù)。由于表面波具有對(duì)稱性，所以有，得到金屬與介質(zhì)的介電常數(shù)的關(guān)系為： (1-2-4)金屬的介電常數(shù)小于0，因此其可以激發(fā)SPPs.將上面各式帶入如下的Maxwell方程組中， (1-2-5) (1-2-6)可得 (1-2-7)表面等離激元的色散關(guān)系表示為： (1-2-8)如果利用理想得Drude模型，即忽略中的虛部，因?yàn)樵诟哳l極限情況下非常小，因此可以忽略與有關(guān)得項(xiàng)?？傻媒饘俚慕殡姵?shù)： (1-2-9)將式(1-2-9)帶入式(1-2-8)可得： (1-2-10)由上式可知SPPs在金屬和介質(zhì)中的波矢。當(dāng)為實(shí)數(shù)時(shí)，且頻率表面等離激元的電磁場(chǎng)可以分為輻射性和非輻射性兩種形式。當(dāng)頻率較小，且滿足時(shí)，和都是虛數(shù)。也就是說(shuō)，SPPs產(chǎn)生的電磁場(chǎng)振幅在垂直于金屬與介質(zhì)的界面的方向上，隨著遠(yuǎn)離界面的方向而呈現(xiàn)指數(shù)衰減。而在與金屬介質(zhì)界面平行的方向上，SPPs的電磁場(chǎng)則沿著該界面?zhèn)鞑?。此時(shí)，SPPs為非輻射性表面等離激元，如圖1.3所示。常用的金屬受到電磁波激發(fā)，其產(chǎn)生的電磁場(chǎng)被局域在金屬附近，即是此類的非輻射的SPPs。若電磁波的頻率較大，且，此時(shí)與均為實(shí)數(shù)，此時(shí)產(chǎn)生的表面等離元可以輻射到遠(yuǎn)離金屬表面的自由空間中。圖1.3金屬介質(zhì)表面等離激元色散圖[19]電磁場(chǎng)與粗糙的金屬表面或者金屬納米顆粒相互作用，產(chǎn)生的SPPs表現(xiàn)為局域表面激元（LocalizedSurfacePlasmon:LSPs）。當(dāng)金屬粒子的尺寸遠(yuǎn)小于入射光的波長(zhǎng)，在外加電場(chǎng)的作用下，金屬粒子中的自由電子會(huì)以金屬粒子為中心發(fā)生集體振蕩，如圖1.4所示。這特定的波長(zhǎng)下，電子會(huì)與電磁場(chǎng)產(chǎn)生共振，稱為表面等離激元共振。LSPs可以把電磁場(chǎng)的能量局域在很小的空間內(nèi)，使納米結(jié)構(gòu)表面有強(qiáng)烈的局域近場(chǎng)。這種特點(diǎn)為研究納米光學(xué)成像、納米光刻、納米傳感等領(lǐng)域提供理論支持。圖1.4納米金屬顆粒在外電場(chǎng)的作用下的局域LPSs示意圖。LSP會(huì)受到金屬納米粒子的結(jié)構(gòu)參數(shù)和介質(zhì)環(huán)境的影響[19]，納米粒子形狀、尺寸以及材料不同產(chǎn)生的LSPs的現(xiàn)象也不同。如圖1.5是在TM模式電磁場(chǎng)激發(fā)下，不同結(jié)構(gòu)的納米粒子LSPs的近場(chǎng)分布[19,20]。由圖可知，在納米粒子的比較尖銳的部分容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的局域LSPs,有類似避雷針效應(yīng)的現(xiàn)象。而對(duì)于納米棒結(jié)構(gòu)，其表面的LSPs的包絡(luò)呈現(xiàn)出余弦曲線的形狀。圖1.5各種不同形狀的金屬納米粒子的LSP的近場(chǎng)分布[20,21]需要注意的是金屬材料在電磁場(chǎng)的作用下有特殊的色散特性。金屬受低頻光激發(fā)時(shí)，幾乎沒(méi)有色散現(xiàn)象，電磁波對(duì)金屬的穿透深度也不大，電磁場(chǎng)和金屬的相互影響可以忽略。但是在頻率較高的紅外波，金屬的色散嚴(yán)重，且電磁波對(duì)其穿透深度已達(dá)納米量級(jí)，因此必須考慮金屬的色散特性。常用的色散模型包含Debye模型、Lorentz模型、Drude模型和Lorentz-Drude模型段早在二十世紀(jì)初，表面電荷振蕩與電磁場(chǎng)之間的相互作用使得表面等離激元具有很多獨(dú)特的性質(zhì)。1.3納米天線的基本結(jié)構(gòu)和主要性能參數(shù)1.3.1納米天線的基本結(jié)構(gòu)納米天線一般由納米量級(jí)的顆粒組成，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣。比較常見(jiàn)的有納米納米棒型、納米粒子對(duì)、Yagi-Uda、蝴蝶結(jié)型以及對(duì)數(shù)周期型，如圖1.6所示。納米天線的性質(zhì)與其天線的結(jié)構(gòu)、材料特性以及介質(zhì)環(huán)境密切相關(guān)。因此對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)其光學(xué)特性（場(chǎng)增強(qiáng)、Purcell因子等）的改變。圖1.6納米天線的幾種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)。(a)納米棒；(b)納米粒子對(duì)；(c)八木天線；(d)蝴蝶結(jié)型；(e)對(duì)數(shù)周期型1.3.2納米天線的主要性能參數(shù)總結(jié)經(jīng)典的天線的定義可以概括為既可以有效地從外部設(shè)備接收能量也可以將局部的的電磁能量轉(zhuǎn)換成電磁輻射的設(shè)備。發(fā)射天線輻射源的尺寸遠(yuǎn)小于它們發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)，這樣的源稱為量子輻射源。由于它們的光學(xué)尺寸極小，輻射效率非常低，所以它們不能視為光天線。如果一個(gè)納米天線在輻射源附近，它會(huì)被強(qiáng)烈的局域場(chǎng)激發(fā)，并且發(fā)射一個(gè)高振幅電磁波。因此，使用納米天線顯著增加了輻射源的輻射功率。從這個(gè)角度看，一個(gè)發(fā)射天線的關(guān)鍵在于提輻射源的能量并且能充分地將這部分能量轉(zhuǎn)換成很強(qiáng)的輻射。另一方面，納米發(fā)射天線與射頻微波發(fā)射天線的功能類似，都是對(duì)空間的電磁能量進(jìn)行重新分配。同樣的，接收納米天線的主要特性是有效地激發(fā)量子輻射探測(cè)器，這種探測(cè)器的尺寸相對(duì)于入射信號(hào)的波長(zhǎng)而言非常小，因此它們可以入射信號(hào)輻射僅有的小功率。納米天線可以在探測(cè)器附近產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的局域場(chǎng)，也因此顯著地增強(qiáng)了被探測(cè)到信號(hào)的能量。此外，接收納米天線方向性特性取決于設(shè)備具體實(shí)際應(yīng)用。有時(shí)，需要將能量聚集到一起形成一個(gè)窄的波臂，例如耦合兩個(gè)分開(kāi)放置的輻射源或者一個(gè)輻射源和一個(gè)光纖。此外，接收納米天線的響應(yīng)必須具單向性特點(diǎn)。例如，接收天線容易被來(lái)自某個(gè)方向空間信號(hào)的激發(fā)，而幾乎不受來(lái)自另外方向的空間信號(hào)的影響?？傊?，不管是發(fā)射天線還是接收天線在天線內(nèi)部都有大量的電磁能量損耗。根據(jù)互易定理，任何的納米天線都可以作為發(fā)射器和接收器。如圖1.7(a)所示，發(fā)射納米天線將發(fā)射器場(chǎng)產(chǎn)生的近場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)換成能量輻射出去。接收天線將入射信號(hào)的輻射能量轉(zhuǎn)化成一個(gè)局域近場(chǎng)，如圖1.7(b)所示。圖1.7發(fā)射天線(a)和接收天線(b)ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Novotny</Author><Year>2011</Year><RecNum>106</RecNum><DisplayText>[19]</DisplayText><record><rec-number>106</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="atapfeeptdwzxme2df4p2psh955w55xpse9z">106</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Novotny,Lukas</author><author>VanHulst,Niek</author></authors></contributors><titles><title>Antennasforlight</title><secondary-title>NaturePhotonics</secondary-title></titles><periodical><full-title>NaturePhotonics</full-title></periodical><pages>83-90</pages><volume>5</volume><number>2</number><dates><year>2011</year></dates><isbn>1749-4885</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[22]能量通常是通過(guò)波導(dǎo)傳遞到微波天線，這種天線將波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)換成自由的空間輻射。在使用光學(xué)尺寸非常小的納米天線的情況下，波導(dǎo)模必須具有亞波長(zhǎng)量級(jí)的橫截面才能稱為的等離子體波導(dǎo)。等離子體波導(dǎo)的波導(dǎo)模式相對(duì)自由空間的波長(zhǎng)而言，其有效波長(zhǎng)的極大壓縮。基于此,模式的能量都集中一個(gè)橫截面非常小的區(qū)域。由互易定理可知，這種天線也可以講入射的輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成波導(dǎo)模式。通過(guò)等離子體波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)饋電配置對(duì)于納米天線在實(shí)際應(yīng)用中非常重要，尤其是無(wú)線通信系統(tǒng)在納米量級(jí)的發(fā)展。下面介紹數(shù)值仿真過(guò)程中常用到的光天線的幾個(gè)主要參數(shù)，包括經(jīng)典的天線中經(jīng)常用到的參數(shù)和數(shù)值仿真計(jì)算過(guò)程中用于分析的參數(shù)。首先介紹的是天線的方向性，方向性是一個(gè)天線的基本參數(shù)，包括納米天線。對(duì)于任何天線，無(wú)論是射頻還是光頻，對(duì)定向發(fā)射的量化是非常關(guān)鍵的。天線的方向性是在總輻射功率相同的情況下，天線在最大輻射功率方向的輻射功率與天線的平均功率之比。 (1-3-1)天線的角方向性表示表示天線將能量集中到某個(gè)特定方向的效率。也就是非常小的固體角或者近似的平面波。下面是幾個(gè)典型系統(tǒng)的方向性圖。方向性圖是根據(jù)天線幾何結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性選擇的某一特定平面所構(gòu)成的。對(duì)于具有一個(gè)球形方向性的各向同性的發(fā)射器，只需要選著一個(gè)這樣的平面。由于偶極子發(fā)射器的對(duì)稱性，兩個(gè)這樣的平面就足夠了。平行于電場(chǎng)方向的方向圖切面稱為E面，另外一個(gè)面稱為H面，H面與E面垂直。偶極子的E面方向性圖由公式表示。是向量與偶極子軸向向量的夾角。電動(dòng)力學(xué)和輻射理論的一個(gè)重要概念是惠更斯定理，即兩個(gè)相互正交的偶極距可以產(chǎn)生相位共振。這種元件的方向性圖是一個(gè)向量，并且該向量具有軸對(duì)稱性。它由公式確定。電流和磁流的振幅和相位的另外一個(gè)關(guān)系是，它們方向性圖軸對(duì)稱性消失。圖三1.8是一個(gè)典型的八木天線的方向性圖。從圖中可以看到主瓣，旁瓣和后瓣的位置。方向性圖在某一方向輻射的集中性用方向性系數(shù)或者方向性來(lái)表示。方向性系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)定義由下列公式表示。是系統(tǒng)輻射到遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的總能量，即輻射功率的角分布沿著球面的積分，其中是求坐標(biāo)系下的角坐標(biāo)，是立體角的微元。考慮到在觀察點(diǎn)處，坡印亭矢量模量存在，當(dāng)一個(gè)定向天線被一個(gè)非定向天線代替時(shí)，方向性系數(shù)顯示輻射功率應(yīng)該增加的倍數(shù)。這個(gè)表達(dá)式歸一化到，所以各向同性源的方向性整體上相等，并且偶極子的方向性是1.5. (1-3-2)方向性（1-3-1）是空間方向的公式，但是有時(shí)知道方向性的最大值已足夠，也就是方向圖主瓣方向的值。表示為 (1-3-3)其中，是傳輸?shù)街靼甑墓β?。圖1.8八木天線的方向性圖[23]。天線工作時(shí)，其材料中能量的損耗是不可忽視的。這些能量損耗量用天線效率來(lái)量化。天線效率定義為系統(tǒng)輻射到遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的功率與輸入到天線的總功率之比。 (1-3-4)其中，是納米天線的材料總損耗能量。對(duì)于理想的無(wú)損耗天線。但是天線效率的公式并不包含發(fā)射器本身的損耗。有時(shí)，將這部分損耗考慮在內(nèi)也很有必要。發(fā)射器的內(nèi)部效率由下式表示： (1-3-5)其中，是發(fā)射器的內(nèi)部損耗能量，發(fā)射器的輻射能量。考慮到發(fā)射器的內(nèi)部損耗，輻射效率公式可以改寫為 (1-3-6)然而在實(shí)踐中，估算發(fā)射器損耗的輻射功率是非常困難或者根本不可能。因此公式中的通常取值1，在理論計(jì)算中，通常認(rèn)為發(fā)射器是理想的無(wú)內(nèi)部損耗的發(fā)射器?；诖?，所以在式(1-3-6)分子和分母中的項(xiàng)可以省去。天線性能的一個(gè)更重要的數(shù)字指標(biāo)是功率增益。它將天線的方向性和效率結(jié)合起來(lái)。天線增益是與各向同性發(fā)射器相比天線的功率增加的量化。其中，各向同性發(fā)射器的效率 (1-3-7)因此，增益是天線在給定的角度下重新定向時(shí)對(duì)提高發(fā)射的量化。當(dāng)在發(fā)射器附近放置天線放時(shí)，其激發(fā)和發(fā)射方向會(huì)發(fā)生改變。發(fā)射率在某個(gè)特定角度的增強(qiáng)和極化等于在相同的角度和極化條件下用平面波照射產(chǎn)生的發(fā)射率增強(qiáng)。當(dāng)然，這樣小的探測(cè)器的特點(diǎn)是吸收截面小，等于吸收的功率與入射光強(qiáng)度的比值，表示如下： (1-3-8)其中，是入射電場(chǎng)的極化方向。采用偶記近似描述的探測(cè)器的吸收截面可以表示為下列形式： (1-3-9)其中表示吸收偶極子的方向，和分別觀測(cè)點(diǎn)處系統(tǒng)中加入納米天線時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)和不存在納米天線時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)。是不存在納米天線是的吸收截面。介于天線可以在一定的空間范圍內(nèi)增強(qiáng)近場(chǎng)，該區(qū)域的探測(cè)器的吸收截面也比之前增大很多，可達(dá)倍。由公式（1-3-9）可知，吸收截面不僅與有關(guān)，還與有關(guān)，令 (1-3-10)稱為局域場(chǎng)的增強(qiáng)因子。它反應(yīng)了觀測(cè)點(diǎn)處有納米天線時(shí)場(chǎng)強(qiáng)的絕對(duì)值與不存在納米天線是場(chǎng)強(qiáng)的絕對(duì)值的差異。局域場(chǎng)增強(qiáng)因子取值可以大于或者小于1，但是在實(shí)際應(yīng)用中，它的取值必須是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1的，只有滿足這樣的條件才能在納米天線存在的條件下增加探測(cè)器的效率。根據(jù)互易定理，輻射納米天線也可以作為接收納米天線。通過(guò)互易定理，納米天線的接收區(qū)域和輻射區(qū)域有如下的對(duì)應(yīng)關(guān)系 (1-3-11)上式中，和分別引入納米天線和納米天線不存在時(shí)的吸收能量，它們是輻射天線的性能參數(shù)。和是引入納米天線后偶極子的積分能量和方向性。是只有偶極子時(shí)的積分能量，是只有偶極子時(shí)的方向性，這些是納米天線工作于接收區(qū)域的主要性能參數(shù)。公式（1-3-11）反映了納米天線工作于發(fā)射區(qū)和接收區(qū)的耦合特性。發(fā)射天線可以很顯著地提高量子發(fā)射器的效率。下面主要介紹Purcell因子的機(jī)制。眾所周知，一個(gè)發(fā)射器有它自己允許的能量態(tài)，所有的這些能量態(tài)都是穩(wěn)定的，當(dāng)從發(fā)射器從一種能量