無(wú)線(xiàn)通信系統中光學(xué)天線(xiàn)的思考與研究
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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。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201710/367968.htm 
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［1］。
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。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［2］。
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。
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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