天线是一种能够实现传输线中的电流或磁流能量与自由空间或介质空间中传输的电磁波能量之间转换的器件,它提供了在亚波长尺度内操控电磁波的方法,在无线通信中具有重要地位,广泛应用于无线电通信、多媒体传播、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统。近年来,随着纳米光学的发展,人们将天线的工作频段拓展到光学波段,提出了光学天线的概念。类似于经典天线,光学天线是指能够实现空间光与局域电磁能量之间转换的器件。目前光学天线主要基于金属纳米结构的表面等离激元效应实现,可以将电磁场约束在亚波长尺度下,实现在衍射极限以下的电磁波能量的接收、传输和辐射等操控。由于其极强的表面场强,使得它能够与环境或者量子辐射器产生极强的相互作用,从而在非线性光学、拉曼增强、分子生物学、单分子探测以及光镊等方面具有很强的应用潜力。目前关于光学天线的研究仍处于初级阶段,这主要是由于光学天线的加工精度要求很高,制备不易,直到最近几年微加工技术和设备的出现才推动了其实现与发展。通过参考微波波段的天线的设计原理,人们在实验上实现了多种光学天线,例如偶极子天线、领结形天线、八木天线和缝隙天线等。为了能够更好地发展和应用光学天线,以下几个方面则是当前前沿所面临的重要研究方向:1,光学天线与行波波导的集成,这将有利于利用传输线和行波波导对光学天线进行能量馈入,实现在纳米尺度内对光波的发射、传输与接收的一体化,对于集成光学、纳米传感等具有重要意义;2,方向性光学天线的进一步研究与实现;3,宽带光学天线的研究;4,光学天线与量子点等量子辐射器的耦合研究,这是光学天线的新特性,也是它不同于经典天线的地方;5,金属纳米光学波导的研究,纳米光学波导并不是与光学天线直接相关,但对于光学天线能量的馈入、耦合、传输具有重要意义。因此,本文创新性的提出和研究了 V形光学行波天线,该天线具有高度的方向性、宽带性且辐射方向可调,并设计了具有类电磁透明现象的缝隙天线作为光学天线与波导集成工作的进一步补充。具体来说,本文主要的研究内容和创新点如下:(1)利用湿化学法合成出了直径非常均匀、具有非常光滑的表面的银纳米线,其直径服从均值为252纳米、方差为46纳米的正态分布。基于波导理论分析了在光学频段该纳米线所支持的导波模式性质,发现它们可以支持3种模式,即TMoo,HE11和HE1-1。我们分析了不同激发光偏振方向对所激发的模式强度的影响,当激发光偏振方向平行于银纳米线轴线时,主要激发TM00模式和HE1-1模式,当二者垂直时,主要激发HE11模式。根据实验结果,我们完成了此现象的验证。(2)我们利用傅里叶显微镜研究了一维银纳米线-衬底波导结构的模式性质,从实验上证实该系统中存在除基模外的另外两个泄露模式。在以往的报道中,只有理论分析表明存在该模式,但从未有实验结果证实这一点。这一结果有助于圆柱形波导作为多通道波导应用在纳米光学中。(3)基于V形金属纳米线结构,成功实现了具有高度方向性且方向可调的光学行波天线。我们利用载有表面等离激元的光学波导作为传输线对其进行能量馈入,我们发现V形银纳米线折角部分的辐射具有高度方向性,其辐射模式图的半高宽可以低至20度,这一结果可以与目前最好的方向性光学天线——八木天线相比拟。通过观察不同折角的银纳米线的辐射,我们发现其辐射方向性与折角大小相关。此外,该天线的辐射方向还可以通过改变馈入模式在不改变天线物理结构的情况下实现对辐射方向的调控。因此该行波天线可以作为一种多通道、方向可调、宽带的高度方向性的纳米光学天线。它与传输线的天然友好性,使得它将在纳米光学领域中有着非常良好的应用前景。(4)构建了基于模式耦合理论的行波天线辐射模式的理论模型,用于计算行波天线的辐射规律,完整描述了 V形行波天线的辐射机理,并得到了与实验一致的结果。此外,利用该模型计算了 V行光学行波天线折角处弧形部分的模式耦合规律,阐述了不同模式之间由于弧形过渡导致的能量交换规律,这有助于认识波导弯折部分对行波模式的影响。该模型不仅限于V形行波天线,原则上可以用于计算所有波导的辐射规律,对行波天线的进一步设计与研究具有重要的意义。(5)通过研究缝隙天线,并利用共振单元不同模式之间的干涉作用,实现了光学天线中的类电磁透明现象。这一结果在自调制辐射抑制和光开关方面有着重要的应用潜力。