一种基于硅长方体的高方向性横向单向散射实现方法技术

本发明专利技术涉及一种产生高方向性横向单向散射的纳米光学方法，属于新型纳米光学技术领域。本发明专利技术基于聚焦径向偏振光与硅长方体的相互作用，通过调节硅长方体的长、宽、高这三个结构参数以及长方体在焦平面上的横向位移量，使得总电偶极矩的轴向分量、磁偶极矩的横向分量以及磁四极距垂直于传播轴的平面分量之间的相位差和振幅比满足横向Kerker散射条件，实现高方向性横向单向散射。本发明专利技术提出的方法可以将横向单向散射的辐射角度降低至60°。

【技术实现步骤摘要】
一种基于硅长方体的高方向性横向单向散射实现方法
本专利技术涉及纳米光学
，尤其是能实现高方向性横向单向散射的纳米光学方法。
技术介绍
近些年来，由于光学纳米天线对亚波长量级范围内的电磁场具有强大的操控能力，从而得到各相关领域研究人员的广泛关注[1-2]。光学纳米天线的定向散射能力，即能够使得电磁波辐射沿某一特定或指定方向传播的能力，在光电探测、传感、光学成像、量子调控以及纳米集成光学[3,4]等诸多领域有着重要的应用前景和研究意义。调节光学纳米天线的多极矩响应可以实现定向散射。例如，实验证实对于单个硅纳米球[5]，在特定波长下当电偶极和磁偶极的散射系数振幅相等且位相相同，即第一Kerker条件得到满足时，能显著增强前向散射而使得后向散射被有效抑制。不过，电偶极和磁偶极相互作用产生的定向散射方向性较差，其远场散射强度半峰全宽所对应的散射角通常约为120°。对很多实际的纳米光子学应用，迫切需要提高定向散射的方向性，即减小远场辐射的散射角。为此，研究人员提出了利用高阶多极矩(如电四极矩、磁四极矩等)来提高光学纳米天线定向散射方向性的方法。例如，在平面波照射下，对于金属和全介电材料构成的核壳纳米球，通过合理合计结构参数可以激发出高阶极矩，在考虑了高阶极矩的作用后，定向散射的方向性能得到显著的提高[6]。折射率径向各向异性的纳米球[7]、硅空心纳米盘[8]等也可以激发出高阶多极距，从而提高定向散射的方向性。不过，这些方法基本上针对的是如何提高前向定向散射的方向性。在很多实际应用中，要求光学纳米天线具有高度定向的横向(垂直于光场传播方向)散射能力。例如，在光的定向耦合应用中，基于单个V型金属纳米天线激发的偶极矩与四极矩相互作用可以实现高度定向横向散射，从而提高波导中光的定向耦合效率[9]。不过，金属纳米结构具有固有的损耗，在很多纳米光子器件的应用中存在局限性。相比较而言，高折射率纳米结构在可见光和近红外区域具有很低的吸收损耗。此外，高折射率纳米结构还能同时激发出电响应和磁响应，这为操控光学纳米天线的定向散射提供了更多的自由度。硅长方体有长、宽、高三个可调结构参数，通过调节这些参数，不仅可以激发出总电偶极矩和磁偶极矩，还能激发出磁四极距。当这三个多极矩之间的相对振幅和相位差满足kerker条件时，可以显著提高定向散射的方向性。径向偏振光是一种非均匀偏振光，其电矢量方向(即偏振方向)在光束横截面上表现为沿径向的轴对称分布。在紧聚焦条件下，在焦点区域能产生很强的轴向电场分量，有利于横向定向散射。目前，已有很多产生径向偏振光的方法和技术，其中一部分已有相应的商业化产品。为此，本专利技术提出利用聚焦径向偏振光与硅长方体的相互作用，来提高横向单向散射方向性的方法。参考文献：[1]DeglInnocentiR,XiaoL,JessopDS,etal.Fastroom-temperaturedetectionofterahertzquantumcascadelaserswithgraphene-loadedbow-tieplasmonicantennaarrays.ACSPhotonics,2016,3(10):1747-1753.[2]YangY,LiQ,QiuM.Broadbandnanophotonicwirelesslinksandnetworksusingon-chipintegratedplasmonicantennas.Sci.Rep.,2016,6(1):1-8.[3]BagA,NeugebauerM,MickU,etal.Towardsfullyintegratedphotonicdisplacementsensors.Nat.Commun.,2020,11(1):1-7.[4]BagA,NeugebauerM,P,etal.Transversekerkerscatteringforangstromlocalizationofnanoparticles.Phys.Rev.Lett.,2018,121(19):193902.[5]FuYH,KuznetsovAI,MiroshnichenkoAE,etal.Directionalvisiblelightscatteringbysiliconnanoparticles.Nat.Commun.,2013,4:1527.[6]LiuW,ZhangJ,LeiB,etal.Ultra-directionalforwardscatteringbyindividualcore-shellnanoparticles.Opt.Express,2014,22(13):16178-16187.[7]LiuW.Ultra-directionalsuper-scatteringofhomogenoussphericalparticleswithradialanisotropy.Opt.Express,2015,23(11):14734-14743.[8]ZhangXM,ZhangQ,ZengSJ,etal.Dual-bandunidirectionalforwardscatteringwithall-dielectrichollownanodiskinthevisible.Opt.Lett.,2018,43(6):1275-1278.[9]VercruysseD,NeutensP,LagaeL,etal.SingleAsymmetricPlasmonicAntennaasaDirectionalCouplertoaDielectricWaveguide.ACSPhotonics,2017,4(6):1398-1402.
技术实现思路
针对高方向性横向单向散射的迫切需求，本专利技术基于聚焦径向偏振光与硅长方体的相互作用，通过合理设计硅长方体的三个结构参数，并改变硅长方体偏离焦点的位置，对磁偶极矩横向分量、总电偶极矩轴向分量以及磁四极距垂直于传播轴的平面分量的振幅和相位进行调控，当这三个多极矩满足横向Kerker散射条件时，可以产生高方向性横向单向散射。本专利技术的技术方案如下：一种基于硅长方体的高方向性横向单向散射实现方法，包括下列步骤：1)一束径向偏振光(1)经过显微物镜(2)后产生聚焦光场，在焦平面上放置硅长方体(3)，并使得硅长方体位于偏离焦点的位置。2)设计硅长方体的长、宽、高，使得磁偶极矩的横向分量、总电偶极矩的纵向分量以及磁四极距垂直于传播轴的平面分量之间的振幅比和相位差满足横向Kerker散射条件；第一步，利用Richard-Wolf衍射积分计算聚焦径向偏振光的电场和磁场；第二步，将该电场和磁场导入时域有限差分算法，计算硅长方体的近场电磁场分布；第三步，基于该近场电磁场分布，采用多极矩展开法分别计算硅长方体内部激发的总电偶极矩、磁偶极矩、磁四极距以及电四极距，并分析这些多极矩在远场散射中的相对贡献；第四步，调节硅长方体的长、宽、高这三个结构参数以及硅长方体偏离焦点的横向偏移本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于硅长方体的高方向性横向单向散射实现方法，包括下列步骤：/n1)一束径向偏振光(1)经过显微物镜(2)后产生聚焦光场，在焦平面上放置一个硅长方体(3)，并使得硅长方体位于偏离焦点的位置；/n2)设计硅长方体的长、宽、高，使得磁偶极矩的横向分量、总电偶极矩的纵向分量以及磁四极距垂直于传播轴的平面分量之间的振幅比和相位差满足横向Kerker散射条件；/n第一步，利用Richard-Wolf衍射积分计算聚焦径向偏振光的电场和磁场；/n第二步，将该电场和磁场导入时域有限差分算法，计算硅长方体的近场电磁场分布；/n第三步，基于该近场电磁场分布，采用多极矩展开法计算总电偶极矩、磁偶极矩、电四极矩和磁四极矩，并分析这些多极矩在长方体远场散射中的相对贡献；/n第四步，调节硅长方体的长、宽、高这三个结构参数以及硅长方体偏离焦点的横向偏移量，使得磁偶极矩的横向分量、总电偶极矩轴向分量以及磁四极距垂直于传播轴的平面分量的相位和振幅在某个波长下满足横向Kerker散射条件；/n3)将硅长方体放置在焦平面上的特定位置处，用聚焦径向偏振光激发硅长方体将产生高方向性横向单向散射。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于硅长方体的高方向性横向单向散射实现方法，包括下列步骤：
1)一束径向偏振光(1)经过显微物镜(2)后产生聚焦光场，在焦平面上放置一个硅长方体(3)，并使得硅长方体位于偏离焦点的位置；
2)设计硅长方体的长、宽、高，使得磁偶极矩的横向分量、总电偶极矩的纵向分量以及磁四极距垂直于传播轴的平面分量之间的振幅比和相位差满足横向Kerker散射条件；
第一步，利用Richard-Wolf衍射积分计算聚焦径向偏振光的电场和磁场；
第二步，将该电场和磁场导入时域有限差分算法，计算硅长方体的近场电磁场分布；
第三步，基于该近场电磁场分布，采用多极矩展开法计算总电偶极矩、磁偶极矩、电四极矩和磁四极矩，并分析这些多极矩在长...

【专利技术属性】
技术研发人员：王湘晖，王建鑫，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津;12