納米光天線寬頻帶特性研究

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1、納米光天線寬頻帶特性研究第一章緒論1.1研究背景和意義天線的概念于1476年由Aristotle翻譯介紹。自赫茲和馬可發(fā)明天線之后，天線就成為無線信息傳輸技的重要元素之一。在射頻領(lǐng)域，天線是將電流和磁流轉(zhuǎn)換成無線電波的設(shè)備，反之亦然，將無線電波轉(zhuǎn)換成電流。通常，這個(gè)定義比較容易理解天線發(fā)射和接收電磁波。發(fā)射天線的定義意味著它有較高的輻射效率，然而接收天線必須對(duì)無線電磁波有足夠的敏感性。1895年，GuglielmoMarconi介紹了天線收音機(jī)。在日常生活中，天線已有大量廣泛應(yīng)用，例如無線電話、電視廣播、導(dǎo)航

2、系統(tǒng)、等等。在射頻和微波領(lǐng)域，天線是控制無線通訊的關(guān)鍵技術(shù)。目前通信系統(tǒng)需要新型的工作頻率范圍在微波或者甚高頻的天線。超高頻與和超短波天線同樣適用于航天器通信，包括人造衛(wèi)星。超高頻和超短波天線不僅用于通訊，還可可以用于地球表面的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)。并且這些天線還有其它方面非傳統(tǒng)的應(yīng)用，例如：作為環(huán)境傳感器元素。超高頻天線被成功用于乳腺腫瘤的早期診斷和過高熱的療法。需要注意的是超高頻天線和超短波天線是雷達(dá)和電波望遠(yuǎn)鏡的重要組成部分。所有的這些應(yīng)用需要經(jīng)典天線的進(jìn)一步改進(jìn)。考慮到科學(xué)的一個(gè)新分支——納米光學(xué)的出現(xiàn)，天線的定

3、義應(yīng)該擴(kuò)展，納米光學(xué)是研究亞微米甚至納米尺度的物體對(duì)光信號(hào)的傳輸和接收特性。納米光學(xué)提出一個(gè)關(guān)于納米原件之間信息傳輸?shù)男屎头较蛐詥栴}。相對(duì)于較小的組成，甚至單個(gè)分子和分子族，納米光學(xué)中的輻射源本身就是納米器件納米。作為納米天線的納米量級(jí)對(duì)象必須具有輻射效率和方向的特性。在天線輻射或者感應(yīng)電流概念有點(diǎn)不完備的情況下，如何定義這一背景下的天線是一個(gè)問題。納米天線的術(shù)語也開始在研究文獻(xiàn)中出現(xiàn)。接收納米天線是將入射光轉(zhuǎn)化成有限區(qū)域內(nèi)的場(chǎng)的設(shè)備。相反地，發(fā)射天線是將光頻域中一個(gè)特定的源產(chǎn)生的有限區(qū)域的局域場(chǎng)轉(zhuǎn)化為光輻

4、射。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和處理性能的要求也不斷提高。過去的1半個(gè)多世紀(jì)以來，電子器件的處理速度更快、體積更小、處理能力更有效。然而等比縮小電子器件的尺寸具有極大的挑戰(zhàn)性。影響處理器速度提高的關(guān)鍵問題是電子互連有關(guān)的熱和信號(hào)遲滯，而光互連的數(shù)據(jù)承載能力巨大。如果在分布式系統(tǒng)架構(gòu)的芯片中使用光互連，則可以為上述問題提供解決方案。然而由于介質(zhì)光學(xué)器件受到衍射極限限制，其尺寸被限制在大約半個(gè)光波長(zhǎng)。而納米級(jí)的電子器件比介質(zhì)型的光學(xué)器件小一個(gè)或者兩個(gè)數(shù)量級(jí)。光器件的小型化和器件之間的匹配成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)

5、。所以如何獲得超衍射極限的各種光學(xué)器件是實(shí)現(xiàn)納米光學(xué)集成的基礎(chǔ)。1985年，Wessel教授發(fā)現(xiàn)金屬小顆粒有接收和發(fā)射電磁波的性質(zhì)，該現(xiàn)象類似于傳統(tǒng)的天線，基于此最早提出光天線的概念。Grober[1]于1997年提出了光天線的概念，并且構(gòu)想平面蝴蝶結(jié)型天線作為近場(chǎng)探針。1998年，Ebbesen的亞波長(zhǎng)金屬小孔陣列結(jié)構(gòu)異常透過的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[2]發(fā)表之后，納米結(jié)構(gòu)的電磁特性研究迅速展開。2003年，K.B.Crozier小組制作了金屬薄膜條陣列[3]，并且發(fā)現(xiàn)了金屬薄膜條陣列對(duì)紅外波段的光有較強(qiáng)的局域和增強(qiáng)效應(yīng)

6、。2004年，W.E.Moerner等人設(shè)計(jì)了金屬蝴蝶結(jié)型天線[4]，得到了103量級(jí)的場(chǎng)增強(qiáng)。2005年，B.Hecht小組報(bào)道了能實(shí)現(xiàn)納米量級(jí)聚焦的金偶極光天線[5]，為納米成像、納米光刻等領(lǐng)域的發(fā)展提供了廣闊的應(yīng)用前景。2006年，Corozier和Capasso小組制造了金材料的納米天線，該天線能實(shí)現(xiàn)直徑40nm的紅外光斑聚焦[6]。2008年，Mohammadi等人研究了金納米棒和納米球?qū)椛湓摧椛渌p率和輻射效率的影響[7]。2009年，P.Biagioni提出了不受極化方向影響的交叉天線，該天線

7、由兩個(gè)偶極天線組成，可將任意極化方向入射的光轉(zhuǎn)化為局域增強(qiáng)的近場(chǎng)[8]。2011年，HeykelAouani等人設(shè)計(jì)了梯形對(duì)數(shù)周期光天線，并且從理論和實(shí)驗(yàn)上研究該光天線的寬頻帶特性，得到了表面增強(qiáng)紅外吸收增益大約在105量級(jí)[9]。2012年，BrianJ.Roxworthy等人利用金蝴蝶結(jié)型納米天線陣列實(shí)現(xiàn)了集高捕獲效率和粒子排序功能于一體的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單粒子或者多粒子的捕獲和控制以及粒子分選，其低輸入能量的特性在生物應(yīng)用中可以有效地降低樣本的光損傷[10]。2013年，Yao等設(shè)計(jì)了石墨烯負(fù)載等離

8、子天線。作者利用石墨烯作為可調(diào)負(fù)載，使天線在中紅外頻率區(qū)的調(diào)制范圍達(dá)到650nm[11].2近期，武漢大學(xué)鄭國(guó)興與伯明翰大學(xué)教授張霜，利用反射式納米光天線陣列，在實(shí)驗(yàn)中捕捉到愛因斯坦激光全息圖像，并且實(shí)現(xiàn)了高達(dá)80%的實(shí)測(cè)衍射效率。這一成果超越了傳統(tǒng)材料的激光全息水平，而且其制造工藝僅需一步光刻，大大簡(jiǎn)化了工藝流程。美國(guó)伊利諾斯大學(xué)研究小組基曼尼·圖森特設(shè)計(jì)了一種柱-領(lǐng)結(jié)納米天線陣列，在電子掃描顯微