Meta为AR/VR光学显示探索蝴蝶结纳米天线阵列组成

　　光与金属纳米结构的交互是一个备受关注的研究领域。这种交互沿着金属/电介质界面产生表面波或表面等离子体激元。这使得对电磁场进行亚波长操作成为可能。亚波长限制和光场增强在集成光学中带来了各种潜在的应用，如波导、传感、高分辨率显微镜、以及AR/VR等等。

　　在名为《Near-fields of Butterfly Nanoantenna Arrays: A Simulation Study》的论文中，Meta的研究人员探索了由蝴蝶结纳米天线阵列组成的等离子体纳米结构(Fischer图案)的建模和模拟。团队同时使用扫描近场光学显微镜对一组市售的金属纳米图案样品进行了实验研究。

　　所研究的样品由沉积在0.15mm厚玻璃基板上的金属蝴蝶结纳米天线的六边形周期阵列组成。Fischer图案的建模和模拟是使用时域有限差分FDTD方法进行，

　　图1显示了两个由金(图1a)和铝(图1b)制成的样品的测量形貌。在这两种情况下，金属纳米元件都以六边形阵列的形式排列在用作透明孔径的孔周围。对于金和铝图案，孔的近似直径d分别为300nm和1µm。

　　为了模拟光与样品在近场中的相互作用，研究人员创建了一个蝴蝶结纳米天线六边形排列的计算机模型。每个蝴蝶结形纳米天线由一对等边三角形元件组成。他们使用FDTD模拟了计算机模型的两种变体，而这两种变体主要在纳米天线的材料选择和内部孔径尺寸方面有所不同。

　　对于计算机模型的第一个变体，纳米天线的材料是金，内部孔径的近似直径是400nm。在第二个计算机模型中，纳米天线的材料为铝，内部孔径的近似直径为1µm。

　　在实验装置中，样品的照明是通过激光实现，而激光通过扫描近场光学显微镜尖端孔径向外耦合。在模拟中，使用电偶极子对照明源进行建模。

　　模拟中使用的金和铝的色散复折射率均来Meta发表的参考数据。

　　图2a显示了使用Au纳米天线的计算机生成模型。任何一个纳米三角形的边约为200nm，两个相邻三角形尖端之间的间隙约为25nm。纳米三角形的厚度约为15nm。然后，他们使用Lumerical的商用FDTD软件包对计算机生成的模型进行模拟。

　　图2b显示了在532nm波长下计算的归一化电场强度，所述强度在偶极子的两个正交方向上平均，并在距离结构表面5nm处记录。

　　通过改变显示器沿z轴的位置，可以在离结构表面其他距离处记录电场分布。这样做是为了观察场模式如何随着与结构表面的距离增加而变化。在显示器的每个位置，记录偶极激发源的两个正交平面内极化的电场分布。

　　图3显示了在距离结构表面50nm和100nm处记录的偶极的两个正交偏振态上的平均归一化电场强度。

　　图4a显示了铝三角形纳米天线六边形排列的第二个计算机生成模型。所述结构在xy平面中旋转了20度。

　　图4b显示了在532nm波长下计算的归一化电场强度，在偶极的两个正交偏振模式上进行平均，并在距离纳米天线阵列表面5nm的距离处记录。

　　结果

　　在纳米结构表面不到10nm的显示器距离处，可以观察到光限制(见图2b、3a和3b)。两种极化状态的平均化使得约束不那么明显。但在小于10nm的距离处，六边形孔径的形状更容易辨别。随着显示器的距离在50nm、100nm等中间步骤中增加到λ/2，细节消失，这表明在近场中看到的光限制是由于倏逝波引起，倏逝波会随着显示器与纳米结构表面距离的增加而消散。

　　为了能够将模拟强度图与扫描近场光学显微镜测量值进行比较，在图2b和4b中对来自两个偏振态的近场进行了平均，因为测量系统没有保持偏振态。

　　在这种情况下，光限制效应变得不那么剧烈，近场在六边形孔径周围看起来更对称，这与实验观察结果相似。

　　在涉及金和铝的两种情况下的模拟表明，三角形元素在近场投下阴影，并且光仅透射通过中心的透明孔径区域。这一结果与实验观察结果一致。在图2b和图3中，在亚波长孔径(d~400nm)的情况下，光约束更强。