科普：帶你了解光頻段電磁天線(xiàn)（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中，就有內置的平面倒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。

　　偶極子天線(xiàn)

　　由于天線(xiàn)對電磁波的調控作用服從經(jīng)典電磁學(xué)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(cháng)）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(cháng)。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，相控陣雷達等），邏輯上也可以在光頻段實(shí)現。

　　從尺度上來(lái)看，天線(xiàn)的工作波長(cháng)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(cháng)偶極子天線(xiàn)（dipole antenna）為例，它由兩根1/4波長(cháng)單極子天線(xiàn)（monopole antenna）組成，其長(cháng)度是工作波長(cháng)λ的一半。對于工作900MHz的射頻天線(xiàn)，其長(cháng)度為估算為 L = λ / 2= （3e8 m/s / 900e6 /s） /2 = 0.167m。而工作波長(cháng)在可見(jiàn)光的天線(xiàn)，其長(cháng)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 ［2］。對于工作波長(cháng)為680nm（紅光）的光學(xué)天線(xiàn)，假設其制備襯底為硅，則L = λ / （2n）= 680 nm / 2 / 3.4 = 100 nm?？梢?jiàn)，對光學(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)驗制備與光波長(cháng)尺度可比擬，乃至比光波長(cháng)尺度還要小的微納結構。

　　光學(xué)天線(xiàn)

　　近年來(lái)，隨著(zhù)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，大規模加工納米尺度的金屬與介質(zhì)結構成為可能，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(cháng)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(cháng)尺度的空間內，極大提高了光子的態(tài)密度，因此被廣泛應用于突破衍射極限，并增強光與物質(zhì)的相互作用（light-matterinteracTIon）。

　　2. 光吸收與光熱轉換：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(shí)部不再是無(wú)窮大。這一特性使得光學(xué)天線(xiàn)對光的損耗增大，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(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）和相控陣雷達（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），對平面圓偏振光各點(diǎn)的相位進(jìn)行調控，從而實(shí)現可見(jiàn)光波段的超薄平面式成像透鏡?？梢?jiàn)，經(jīng)過(guò)巧妙設計的光學(xué)天線(xiàn)及其陣列，有望將傳統光學(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，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)域層出不窮，因此本文難免掛一漏萬(wàn)，只能起到拋磚引玉的作用。

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　　納米天線(xiàn)陣列邁入光學(xué)波長(cháng)

　　美國麻省理工學(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(xiàn)陣列。此結構能準確地產(chǎn)生預先設定的光學(xué)圖案，可望應用于許多新興領(lǐng)域，包含3D全像顯示器以及先進(jìn)醫學(xué)成像。

　　長(cháng)久以來(lái)，天線(xiàn)都是使用在無(wú)線(xiàn)電波與電視波的傳輸上，不過(guò)最近科學(xué)家們開(kāi)始將此概念延伸至光學(xué)波段。天線(xiàn)的運作依靠電荷在其結構中振蕩，因此天線(xiàn)的大小必須符合電磁輻射共振模態(tài)下的波長(cháng)，換言之，要使天線(xiàn)在光學(xué)波段下工作，其大小必須縮至納米尺寸。另一方面，連接數個(gè)天線(xiàn)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(xiàn)必須調整至相位相同以加強發(fā)射出的電磁波；此技術(shù)也應用在天文觀(guān)測中，美國新墨西哥州的無(wú)線(xiàn)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(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)相位對齊的天線(xiàn)構成的光學(xué)積體陣列，其中每個(gè)天線(xiàn)僅占9×9 μm的面積。天線(xiàn)是由高折射率對比的介電質(zhì)光柵所構成，以傳統300 mm的CMOS設備來(lái)制作，但采用了最先進(jìn)的制程工具如浸潤式顯影制程。所有的天線(xiàn)在相同功率下運作，當相位對齊時(shí)可產(chǎn)生復雜的光學(xué)圖案，研究人員亦能精準控制陣列的發(fā)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(xué)」（adaptive optics）技術(shù)，即自動(dòng)調整光波相位來(lái)補償因周?chē)橘|(zhì)造成的失真扭曲，此技術(shù)要求精準控制光束的相位，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用在血管內手術(shù)，可用來(lái)操縱光束并拍攝血管壁。不過(guò)，他認為此陣列最有趣之處在于3D全像術(shù)的應用，因為此陣列可調控單一天線(xiàn)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)。

　　該團隊下一步計劃將此光學(xué)陣列的操作波長(cháng)縮短至可見(jiàn)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(lái)取代會(huì )吸收可見(jiàn)光的硅晶圓。