科普：你了解光學(xué)天線嗎

2016-12-09 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

天線,按維基百科的定義,"是一種用來(lái)發(fā)射或接收無(wú)線電波—或更廣泛來(lái)講—電磁波的器件" 。例如,在無(wú)線通信系統(tǒng)中,天線被用于發(fā)射與接收射頻與微波波段的電磁波。而在我們的智能手機(jī)中,就有內(nèi)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(hào)。

偶極子天線

由于天線對(duì)電磁波的調(diào)控作用服從經(jīng)典電磁學(xué)的基礎(chǔ)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(zhǎng))不變性,也就是說(shuō),麥克斯韋方程組并沒(méi)有限制天線的工作波長(zhǎng)。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?yán)走_(dá)等),邏輯上也可以在光頻段實(shí)現(xiàn)。

從尺度上來(lái)看,天線的工作波長(zhǎng)λ與天線尺度L是線性相關(guān)的。以最簡(jiǎn)單的1/2波長(zhǎng)偶極子天線(dipole antenna)為例,它由兩根1/4波長(zhǎng)單極子天線(monopole antenna)組成,其長(zhǎng)度是工作波長(zhǎng)λ的一半。對(duì)于工作900MHz的射頻天線,其長(zhǎng)度為估算為 L = λ / 2= (3e8 m/s / 900e6 /s) /2 = 0.167m。而工作波長(zhǎng)在可見光的天線,其長(zhǎng)度估算為 L = λ /(2n),這里n為天線所處的介質(zhì)環(huán)境的折射率 [2]。對(duì)于工作波長(zhǎng)為680nm(紅光)的光學(xué)天線,假設(shè)其制備襯底為硅,則L = λ / (2n)= 680 nm / 2 / 3.4 = 100 nm?？梢?對(duì)光學(xué)天線(光頻段電磁天線)的研究,首先要解決的是要能實(shí)驗(yàn)制備與光波長(zhǎng)尺度可比擬,乃至比光波長(zhǎng)尺度還要小的微納結(jié)構(gòu)。

光學(xué)天線

近年來(lái),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(shù)的日趨成熟,大規(guī)模加工納米尺度的金屬與介質(zhì)結(jié)構(gòu)成為可能,光頻段電磁天線(簡(jiǎn)稱光學(xué)天線)的研究也隨之成為研究熱點(diǎn)。

電子束曝光

對(duì)光學(xué)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(zhǎng)尺度的光場(chǎng)聚焦:與射頻波段的偶極子天線相類比,光學(xué)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(zhǎng)尺度的空間內(nèi),極大提高了光子的態(tài)密度,因此被廣泛應(yīng)用于突破衍射極限,并增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用(light-matterinteraction)。

2. 光吸收與光熱轉(zhuǎn)換:制備光學(xué)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(jīng)不再像微波波段那樣可以等效為完純導(dǎo)體,而是對(duì)電磁波具有巨大損耗,也即材料折射率的虛部相對(duì)實(shí)部不再是無(wú)窮大。這一特性使得光學(xué)天線對(duì)光的損耗增大,可以用作光學(xué)吸收器(absorber)。而光學(xué)天線吸收的光能最后被轉(zhuǎn)化成熱能,體現(xiàn)為溫度的上升。該特性被用于熱紅外探測(cè)器,太陽(yáng)能(thermal photovoltaic),以及腫瘤的治療(photothermal cancer therapy)。

3. 光學(xué)濾波,偏振選擇與相位操控:當(dāng)光學(xué)天線被制備成陣列,又有了諸多新奇而有趣的特性。前面說(shuō)過(guò),在微波波段,有頻率選擇表面(Frequency Selective Surface)和相控陣?yán)走_(dá)(Phased Array Antenna)的概念。而在光頻段,同樣可以利用光學(xué)天線陣列實(shí)現(xiàn)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(xué)天線陣列(Nanoantenna array)的光學(xué)超表面(Metasurface),對(duì)平面圓偏振光各點(diǎn)的相位進(jìn)行調(diào)控,從而實(shí)現(xiàn)可見光波段的超薄平面式成像透鏡。可見,經(jīng)過(guò)巧妙設(shè)計(jì)的光學(xué)天線及其陣列,有望將傳統(tǒng)光學(xué)元件(濾光片,偏振片,成像透鏡等等)的諸多功能壓縮至光學(xué)薄膜的厚度上加以實(shí)現(xiàn),也即平面光學(xué)元件(FlatOptics)。

目前光學(xué)天線是科研界的一個(gè)研究熱點(diǎn),研究角度與應(yīng)用場(chǎng)合也較為廣泛,各種基于光學(xué)天線的新研究領(lǐng)域?qū)映霾桓F,因此本文難免掛一漏萬(wàn),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(xué)波長(zhǎng)

美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員在硅芯片上制作出第一個(gè)大型光學(xué)天線陣列。此結(jié)構(gòu)能準(zhǔn)確地產(chǎn)生預(yù)先設(shè)定的光學(xué)圖案,可望應(yīng)用于許多新興領(lǐng)域,包含3D全像顯示器以及先進(jìn)醫(yī)學(xué)成像。

長(zhǎng)久以來(lái),天線都是使用在無(wú)線電波與電視波的傳輸上,不過(guò)最近科學(xué)家們開始將此概念延伸至光學(xué)波段。天線的運(yùn)作依靠電荷在其結(jié)構(gòu)中振蕩,因此天線的大小必須符合電磁輻射共振模態(tài)下的波長(zhǎng),換言之,要使天線在光學(xué)波段下工作,其大小必須縮至納米尺寸。另一方面,連接數(shù)個(gè)天線形成陣列來(lái)發(fā)射同一波源的概念已行之多年,此處天線必須調(diào)整至相位相同以加強(qiáng)發(fā)射出的電磁波;此技術(shù)也應(yīng)用在天文觀測(cè)中,美國(guó)新墨西哥州的無(wú)線電波天文望遠(yuǎn)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(xué)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(gè)相位對(duì)齊的天線構(gòu)成的光學(xué)積體陣列,其中每個(gè)天線僅占9×9 μm的面積。天線是由高折射率對(duì)比的介電質(zhì)光柵所構(gòu)成,以傳統(tǒng)300 mm的CMOS設(shè)備來(lái)制作,但采用了最先進(jìn)的制程工具如浸潤(rùn)式顯影制程。所有的天線在相同功率下運(yùn)作,當(dāng)相位對(duì)齊時(shí)可產(chǎn)生復(fù)雜的光學(xué)圖案,研究人員亦能精準(zhǔn)控制陣列的發(fā)光方向。

此陣列的應(yīng)用范圍包含光達(dá)(LIDAR)、干涉儀以及生物組織成像,后者使用了「自適應(yīng)光學(xué)」(adaptive optics)技術(shù),即自動(dòng)調(diào)整光波相位來(lái)補(bǔ)償因周圍介質(zhì)造成的失真扭曲,此技術(shù)要求精準(zhǔn)控制光束的相位,同時(shí)需具備高像素,而這正是此新穎光學(xué)陣列所擁有的優(yōu)點(diǎn)。Watts表示此組件有可能立刻應(yīng)用在血管內(nèi)手術(shù),可用來(lái)操縱光束并拍攝血管壁。不過(guò),他認(rèn)為此陣列最有趣之處在于3D全像術(shù)的應(yīng)用,因?yàn)榇岁嚵锌烧{(diào)控單一天線單元的發(fā)光相位及振幅,并且能控制此納米光電發(fā)射器的單點(diǎn)激發(fā)。

該團(tuán)隊(duì)下一步計(jì)劃將此光學(xué)陣列的操作波長(zhǎng)縮短至可見光波段。要達(dá)成此目標(biāo),他們必須要縮小像素尺寸并且尋求其它材料來(lái)取代會(huì)吸收可見光的硅晶圓。

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