科普：你了解光学天线吗

2016-12-09 by:CAE仿真在线来源:互联网

天线,按维基百科的定义,"是一种用来发射或接收无线电波—或更广泛来讲—电磁波的器件" 。例如,在无线通信系统中,天线被用于发射与接收射频与微波波段的电磁波。而在我们的智能手机中,就有内置的平面倒F天线(PIFA),用于接收和辐射射频波段在2.4GHz和5GHz的电磁波信号。

偶极子天线

由于天线对电磁波的调控作用服从经典电磁学的基础方程,也即麦克斯韦方程(MaxwellEquations),而麦克斯韦方程在形式上具有频率(波长)不变性,也就是说,麦克斯韦方程组并没有限制天线的工作波长。因此,在射频波段电磁天线的诸多功能(例如频率选择表面,相控阵雷达等),逻辑上也可以在光频段实现。

从尺度上来看,天线的工作波长λ与天线尺度L是线性相关的。以最简单的1/2波长偶极子天线(dipole antenna)为例,它由两根1/4波长单极子天线(monopole antenna)组成,其长度是工作波长λ的一半。对于工作900MHz的射频天线,其长度为估算为 L = λ / 2= (3e8 m/s / 900e6 /s) /2 = 0.167m。而工作波长在可见光的天线,其长度估算为 L = λ /(2n),这里n为天线所处的介质环境的折射率 [2]。对于工作波长为680nm(红光)的光学天线,假设其制备衬底为硅,则L = λ / (2n)= 680 nm / 2 / 3.4 = 100 nm。可见,对光学天线(光频段电磁天线)的研究,首先要解决的是要能实验制备与光波长尺度可比拟,乃至比光波长尺度还要小的微纳结构。

光学天线

近年来,随着以电子束刻蚀(Electron Beam Lithography)和聚焦离子束刻蚀(Focused Ion Beam Lithography)为代表的“至顶向下”式纳米加工技术的日趋成熟,大规模加工纳米尺度的金属与介质结构成为可能,光频段电磁天线(简称光学天线)的研究也随之成为研究热点。

电子束曝光

对光学天线的研究很广泛,这里只做大致的梳理与分类,以抛砖引玉。

1. 亚波长尺度的光场聚焦:与射频波段的偶极子天线相类比,光学天线可以将自由空间中的光频电磁波汇聚于天线表面亚波长尺度的空间内,极大提高了光子的态密度,因此被广泛应用于突破衍射极限,并增强光与物质的相互作用(light-matterinteraction)。

2. 光吸收与光热转换:制备光学天线的材料与制备微波波段电磁天线的材料一样,可以是金,银,铝,铜等常见金属。然而,金属材料在光频段已经不再像微波波段那样可以等效为完纯导体,而是对电磁波具有巨大损耗,也即材料折射率的虚部相对实部不再是无穷大。这一特性使得光学天线对光的损耗增大,可以用作光学吸收器(absorber)。而光学天线吸收的光能最后被转化成热能,体现为温度的上升。该特性被用于热红外探测器,太阳能(thermal photovoltaic),以及肿瘤的治疗(photothermal cancer therapy)。

3. 光学滤波,偏振选择与相位操控:当光学天线被制备成阵列,又有了诸多新奇而有趣的特性。前面说过,在微波波段,有频率选择表面(Frequency Selective Surface)和相控阵雷达(Phased Array Antenna)的概念。而在光频段,同样可以利用光学天线阵列实现光波的滤波,偏振选择,以及相位操控。例如,最新一期的Science封面文章,就是利用基于光学天线阵列(Nanoantenna array)的光学超表面(Metasurface),对平面圆偏振光各点的相位进行调控,从而实现可见光波段的超薄平面式成像透镜。可见,经过巧妙设计的光学天线及其阵列,有望将传统光学元件(滤光片,偏振片,成像透镜等等)的诸多功能压缩至光学薄膜的厚度上加以实现,也即平面光学元件(FlatOptics)。

目前光学天线是科研界的一个研究热点,研究角度与应用场合也较为广泛,各种基于光学天线的新研究领域层出不穷,因此本文难免挂一漏万,只能起到抛砖引玉的作用。

延伸阅读:

纳米天线阵列迈入光学波长

美国麻省理工学院(MIT)的研究人员在硅芯片上制作出第一个大型光学天线阵列。此结构能准确地产生预先设定的光学图案,可望应用于许多新兴领域,包含3D全像显示器以及先进医学成像。

长久以来,天线都是使用在无线电波与电视波的传输上,不过最近科学家们开始将此概念延伸至光学波段。天线的运作依靠电荷在其结构中振荡,因此天线的大小必须符合电磁辐射共振模态下的波长,换言之,要使天线在光学波段下工作,其大小必须缩至纳米尺寸。另一方面,连接数个天线形成阵列来发射同一波源的概念已行之多年,此处天线必须调整至相位相同以加强发射出的电磁波;此技术也应用在天文观测中,美国新墨西哥州的无线电波天文望远镜VLA即为一例。

最近,MIT的Michael Watts等人将此概念推广至红外光学波段,并成功地在约0.5×0.5 mm的单一硅芯片上,制作出由64×64个相位对齐的天线构成的光学积体阵列,其中每个天线仅占9×9 μm的面积。天线是由高折射率对比的介电质光栅所构成,以传统300 mm的CMOS设备来制作,但采用了最先进的制程工具如浸润式显影制程。所有的天线在相同功率下运作,当相位对齐时可产生复杂的光学图案,研究人员亦能精准控制阵列的发光方向。

此阵列的应用范围包含光达(LIDAR)、干涉仪以及生物组织成像,后者使用了「自适应光学」(adaptive optics)技术,即自动调整光波相位来补偿因周围介质造成的失真扭曲,此技术要求精准控制光束的相位,同时需具备高像素,而这正是此新颖光学阵列所拥有的优点。Watts表示此组件有可能立刻应用在血管内手术,可用来操纵光束并拍摄血管壁。不过,他认为此阵列最有趣之处在于3D全像术的应用,因为此阵列可调控单一天线单元的发光相位及振幅,并且能控制此纳米光电发射器的单点激发。

该团队下一步计划将此光学阵列的操作波长缩短至可见光波段。要达成此目标,他们必须要缩小像素尺寸并且寻求其它材料来取代会吸收可见光的硅晶圆。

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