一文讀懂光學(xué)天線(xiàn)

天線(xiàn)，按維基百科的定義，"是一種用來(lái)發(fā)射或接收無(wú)線(xiàn)電波—或更廣泛來(lái)講—電磁波的器件"。例如，在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，天線(xiàn)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(xiàn)(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(xiàn)

由于天線(xiàn)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(Maxwell's Equations)，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(xiàn)的工作波長(zhǎng)。因此，在射頻波段電磁天線(xiàn)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)。

上圖可知麥克斯韋方程組在從無(wú)線(xiàn)電波到紫外光的整個(gè)電磁波譜范圍都是成立的。

從尺度上來(lái)看，天線(xiàn)的工作波長(zhǎng)λ與天線(xiàn)尺度L是線(xiàn)性相關(guān)的。以最簡(jiǎn)單的1/2波長(zhǎng)偶極子天線(xiàn)(dipole antenna)為例，它由兩根1/4波長(zhǎng)單極子天線(xiàn)(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(xiàn)，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(jiàn)光的天線(xiàn)，其長(zhǎng)度估算為 L = λ /(2n)，這里n為天線(xiàn)所處的介質(zhì)環(huán)境的折射率。對(duì)于工作波長(zhǎng)為680nm(紅光)的光學(xué)天線(xiàn)，假設(shè)其制備襯底為硅，則L = λ / (2n)= 680 nm / 2 / 3.4 = 100 nm?？梢?jiàn)，對(duì)光學(xué)天線(xiàn)(光頻段電磁天線(xiàn))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(xiàn)

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(xiàn)(簡(jiǎn)稱(chēng)光學(xué)天線(xiàn))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(xiàn)的研究很廣泛，這里只做大致的梳理與分類(lèi)，以?huà)伌u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(xiàn)相類(lèi)比，光學(xué)天線(xiàn)可以將自由空間中的光頻電磁波匯聚于天線(xiàn)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(xiàn)的材料與制備微波波段電磁天線(xiàn)的材料一樣，可以是金，銀，鋁，銅等常見(jiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。

3. 光學(xué)濾波，偏振選擇與相位操控：當(dāng)光學(xué)天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(jiàn)光波段的超薄平面式成像透鏡?？梢?jiàn)，經(jīng)過(guò)巧妙設(shè)計(jì)的光學(xué)天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的新研究領(lǐng)域?qū)映霾桓F。下面用一張圖概括光學(xué)天線(xiàn)：

審核編輯：湯梓紅