科普：你了解光學天線嗎

2016-12-09 by:CAE仿真在線來源:互聯網

天線,按維基百科的定義,"是一種用來發射或接收無線電波—或更廣泛來講—電磁波的器件" 。例如,在無線通信系統中,天線被用于發射與接收射頻與微波波段的電磁波。而在我們的智能手機中,就有內置的平面倒F天線(PIFA),用于接收和輻射射頻波段在2.4GHz和5GHz的電磁波信號。

偶極子天線

由于天線對電磁波的調控作用服從經典電磁學的基礎方程,也即麥克斯韋方程(MaxwellEquations),而麥克斯韋方程在形式上具有頻率(波長)不變性,也就是說,麥克斯韋方程組并沒有限制天線的工作波長。因此,在射頻波段電磁天線的諸多功能(例如頻率選擇表面,相控陣雷達等),邏輯上也可以在光頻段實現。

從尺度上來看,天線的工作波長λ與天線尺度L是線性相關的。以最簡單的1/2波長偶極子天線(dipole antenna)為例,它由兩根1/4波長單極子天線(monopole antenna)組成,其長度是工作波長λ的一半。對于工作900MHz的射頻天線,其長度為估算為 L = λ / 2= (3e8 m/s / 900e6 /s) /2 = 0.167m。而工作波長在可見光的天線,其長度估算為 L = λ /(2n),這里n為天線所處的介質環境的折射率 [2]。對于工作波長為680nm(紅光)的光學天線,假設其制備襯底為硅,則L = λ / (2n)= 680 nm / 2 / 3.4 = 100 nm。可見,對光學天線(光頻段電磁天線)的研究,首先要解決的是要能實驗制備與光波長尺度可比擬,乃至比光波長尺度還要小的微納結構。

光學天線

近年來,隨著以電子束刻蝕(Electron Beam Lithography)和聚焦離子束刻蝕(Focused Ion Beam Lithography)為代表的“至頂向下”式納米加工技術的日趨成熟,大規模加工納米尺度的金屬與介質結構成為可能,光頻段電磁天線(簡稱光學天線)的研究也隨之成為研究熱點。

電子束曝光

對光學天線的研究很廣泛,這里只做大致的梳理與分類,以拋磚引玉。

1. 亞波長尺度的光場聚焦:與射頻波段的偶極子天線相類比,光學天線可以將自由空間中的光頻電磁波匯聚于天線表面亞波長尺度的空間內,極大提高了光子的態密度,因此被廣泛應用于突破衍射極限,并增強光與物質的相互作用(light-matterinteraction)。

2. 光吸收與光熱轉換:制備光學天線的材料與制備微波波段電磁天線的材料一樣,可以是金,銀,鋁,銅等常見金屬。然而,金屬材料在光頻段已經不再像微波波段那樣可以等效為完純導體,而是對電磁波具有巨大損耗,也即材料折射率的虛部相對實部不再是無窮大。這一特性使得光學天線對光的損耗增大,可以用作光學吸收器(absorber)。而光學天線吸收的光能最后被轉化成熱能,體現為溫度的上升。該特性被用于熱紅外探測器,太陽能(thermal photovoltaic),以及腫瘤的治療(photothermal cancer therapy)。

3. 光學濾波,偏振選擇與相位操控:當光學天線被制備成陣列,又有了諸多新奇而有趣的特性。前面說過,在微波波段,有頻率選擇表面(Frequency Selective Surface)和相控陣雷達(Phased Array Antenna)的概念。而在光頻段,同樣可以利用光學天線陣列實現光波的濾波,偏振選擇,以及相位操控。例如,最新一期的Science封面文章,就是利用基于光學天線陣列(Nanoantenna array)的光學超表面(Metasurface),對平面圓偏振光各點的相位進行調控,從而實現可見光波段的超薄平面式成像透鏡。可見,經過巧妙設計的光學天線及其陣列,有望將傳統光學元件(濾光片,偏振片,成像透鏡等等)的諸多功能壓縮至光學薄膜的厚度上加以實現,也即平面光學元件(FlatOptics)。

目前光學天線是科研界的一個研究熱點,研究角度與應用場合也較為廣泛,各種基于光學天線的新研究領域層出不窮,因此本文難免掛一漏萬,只能起到拋磚引玉的作用。

延伸閱讀:

納米天線陣列邁入光學波長

美國麻省理工學院(MIT)的研究人員在硅芯片上制作出第一個大型光學天線陣列。此結構能準確地產生預先設定的光學圖案,可望應用于許多新興領域,包含3D全像顯示器以及先進醫學成像。

長久以來,天線都是使用在無線電波與電視波的傳輸上,不過最近科學家們開始將此概念延伸至光學波段。天線的運作依靠電荷在其結構中振蕩,因此天線的大小必須符合電磁輻射共振模態下的波長,換言之,要使天線在光學波段下工作,其大小必須縮至納米尺寸。另一方面,連接數個天線形成陣列來發射同一波源的概念已行之多年,此處天線必須調整至相位相同以加強發射出的電磁波;此技術也應用在天文觀測中,美國新墨西哥州的無線電波天文望遠鏡VLA即為一例。

最近,MIT的Michael Watts等人將此概念推廣至紅外光學波段,并成功地在約0.5×0.5 mm的單一硅芯片上,制作出由64×64個相位對齊的天線構成的光學積體陣列,其中每個天線僅占9×9 μm的面積。天線是由高折射率對比的介電質光柵所構成,以傳統300 mm的CMOS設備來制作,但采用了最先進的制程工具如浸潤式顯影制程。所有的天線在相同功率下運作,當相位對齊時可產生復雜的光學圖案,研究人員亦能精準控制陣列的發光方向。

此陣列的應用范圍包含光達(LIDAR)、干涉儀以及生物組織成像,后者使用了「自適應光學」(adaptive optics)技術,即自動調整光波相位來補償因周圍介質造成的失真扭曲,此技術要求精準控制光束的相位,同時需具備高像素,而這正是此新穎光學陣列所擁有的優點。Watts表示此組件有可能立刻應用在血管內手術,可用來操縱光束并拍攝血管壁。不過,他認為此陣列最有趣之處在于3D全像術的應用,因為此陣列可調控單一天線單元的發光相位及振幅,并且能控制此納米光電發射器的單點激發。

該團隊下一步計劃將此光學陣列的操作波長縮短至可見光波段。要達成此目標,他們必須要縮小像素尺寸并且尋求其它材料來取代會吸收可見光的硅晶圓。

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