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【深度】了解光频段电磁天线(光学)及纳米光学天线研究


天线,按维基百科的定义,"是一种用来发射或接收无线电波—或更广泛来讲—电磁波的器件" 。例如,在无线通信系统中,天线被用于发射与接收射频与微波波段的电磁波。而在我们的智能手机中,就有内置的平面倒F天线(PIFA),用于接收和辐射射频波段在2.4GHz和5GHz的电磁波信号。

 

偶极子天线

 

由于天线对电磁波的调控作用服从经典电磁学的基础方程,也即麦克斯韦方程(MaxwellEquations),而麦克斯韦方程在形式上具有频率(波长)不变性,也就是说,麦克斯韦方程组并没有限制天线的工作波长。因此,在射频波段电磁天线的诸多功能(例如频率选择表面,相控阵雷达等),逻辑上也可以在光频段实现。
 


从尺度上来看,天线的工作波长λ与天线尺度L是线性相关的。以最简单的1/2波长偶极子天线(dipole antenna)为例,它由两根1/4波长单极子天线(monopole antenna)组成,其长度是工作波长λ的一半。对于工作900MHz的射频天线,其长度为估算为 L = λ / 2= (3e8 m/s / 900e6 /s) /2 = 0.167m。而工作波长在可见光的天线,其长度估算为 L = λ /(2n),这里n为天线所处的介质环境的折射率 [2]。对于工作波长为680nm(红光)的光学天线,假设其制备衬底为硅,则L = λ / (2n)= 680 nm / 2 / 3.4 = 100 nm。可见,对光学天线(光频段电磁天线)的研究,首先要解决的是要能实验制备与光波长尺度可比拟,乃至比光波长尺度还要小的微纳结构。

 

光学天线


近年来,随着以电子束刻蚀(Electron Beam Lithography)和聚焦离子束刻蚀(Focused Ion Beam Lithography)为代表的“至顶向下”式纳米加工技术的日趋成熟,大规模加工纳米尺度的金属与介质结构成为可能,光频段电磁天线(简称光学天线)的研究也随之成为研究热点。

 

电子束曝光


 对光学天线的研究很广泛,这里只做大致的梳理与分类,以抛砖引玉。

 

1. 亚波长尺度的光场聚焦:与射频波段的偶极子天线相类比,光学天线可以将自由空间中的光频电磁波汇聚于天线表面亚波长尺度的空间内,极大提高了光子的态密度,因此被广泛应用于突破衍射极限,并增强光与物质的相互作用(light-matterinteraction)。

 

 2. 光吸收与光热转换:制备光学天线的材料与制备微波波段电磁天线的材料一样,可以是金,银,铝,铜等常见金属。然而,金属材料在光频段已经不再像微波波段那样可以等效为完纯导体,而是对电磁波具有巨大损耗,也即材料折射率的虚部相对实部不再是无穷大。这一特性使得光学天线对光的损耗增大,可以用作光学吸收器(absorber)。而光学天线吸收的光能最后被转化成热能,体现为温度的上升。该特性被用于热红外探测器,太阳能(thermal photovoltaic),以及肿瘤的治疗(photothermal cancer therapy)。

 

3. 光学滤波,偏振选择与相位操控:当光学天线被制备成阵列,又有了诸多新奇而有趣的特性。前面说过,在微波波段,有频率选择表面(Frequency Selective Surface)和相控阵雷达(Phased Array Antenna)的概念。而在光频段,同样可以利用光学天线阵列实现光波的滤波,偏振选择,以及相位操控。例如,最新一期的Science封面文章,就是利用基于光学天线阵列(Nanoantenna array)的光学超表面(Metasurface),对平面圆偏振光各点的相位进行调控,从而实现可见光波段的超薄平面式成像透镜。可见,经过巧妙设计的光学天线及其阵列,有望将传统光学元件(滤光片,偏振片,成像透镜等等)的诸多功能压缩至光学薄膜的厚度上加以实现,也即平面光学元件(FlatOptics)。

                                         
目前光学天线是科研界的一个研究热点,研究角度与应用场合也较为广泛,各种基于光学天线的新研究领域层出不穷,因此本文难免挂一漏万,只能起到抛砖引玉的作用。

纳米光学天线研究现状及进展
 

1 纳米光学天线基本结构和原理

目前研究的纳米光学天线多为对称振子结 构,由两片金属薄膜和反馈间隙构成(图 1)。共振 天线的长度取决于入射光的波长。从理论上来说,共振时天线长度约为入射光波长的一半,可实际 上却比入射光波长的一半要小得多[7]。纳米天线振 子臂形状除了图 1(a)所示长方形外,也可以为梯 形,蝴蝶结形等(图 1(b)、图 1(c))。薄膜材料多为 金、银,也可用碳纳米管制成。
 
纳米光学天线的基本原理是基于金属孔超常 透射现象。虽然实验上已经多次证明存在金属孔 超常透射,但物理机制还没有完全搞清楚,尚存在 相互矛盾的争议,因此,关于纳米光学天线的实现 聚焦和增强的机制也不是十分清楚。较为认同的
 
理论是,当光照射在这些纳米天线上发生衍射和 散射时,将会在其表面产生表面等离子体激元(SPPs)。这些 SPPs 波长较小,一部分由于隧道效 应穿透到小孔的另一面,在金属薄膜足够薄的时 候,金属上下表面的 SPPs 将会发生重叠实现共振 增强。
 
但关于 SPPs 在其中的作用还有另外一种 说法:当入射波矢与天线 SPPs 波矢匹配时,发生等离激元共振( SPR),共振效应产生强的自由电子集体振荡,在反馈间隙边缘。
 
振子两端出现时变异种电荷,由于反馈间隙很小,静电耦合很强,从而 获得巨大的场增强[8]。也有人从天线结构出发给出 了天线增强因子,认为影响场增强因子 L=LLR LQS LSPPR,其中,(Lightning rod effect   LLR)描述尖端效应, (qusi-static LQS)  描述准静态因素,(the plasmon re- sonance LSPPR)描述表面等离子共振因素。
 

 
(a)长方形                 (b)梯形              (c)蝴蝶结形

 图 1纳米光学天线振子结构图示

 
2 纳米光学天线研究进展
 
目前,纳米光学天线的应用研究主要集中在 超衍射极限成像、新型近场光学探针、太阳能的转 化效率、纳米尺度内光信息的传播控制、纳米光刻 等多个领域。
 
2.1超衍射极限成像
 
传统成像系统受衍射极限限制,聚焦光斑无 法做到纳米量级,从而限制其分辨率。使用光学天 线可以实现超衍射极限成像。2006 年,Harvard 小 组在波长为 830 nm 商业激光二极管上制作了两 个 130 nm 长、50 nm 宽、中间间隔为 30 nm 的金 偶极天线,成功地将光束集中到只有 30 nm 的点 上[15]。
 
高聚光性的纳米光学天线突破了激光应用 的极限,可在一张 DVD 盘中容纳数百部电影片。 2007 年,微型半导体量子级联(QC)激光器发明人 之一—哈佛大学的 Federico Capasso 教授设计 出了一种光学天线,通过在 QC 激光器上安装该天线,实现了纳米级的精度对激光点聚焦,从而可 以使 QC 激光器执行亚微米级的扫描。
 
进一步的 研究还表明,这种结构可使分辨率提高到照明波 长的百分之一。使用这种更加聚焦的 QC 激光的 频谱-光子扫描仪能够实时地对从半导体到医疗 样本的各种表面的亚微米级化学成分进行成像。 这种新型装置将光学天线和激光结合起来,只由少量零件构成。相比之前的其它技术,它的体积更 小,有更好的信噪比。
 
2.2 高分辨近场光学显微镜
 
传统近场光学显微镜探测的是样品表面的倏 逝场。为提高分辨率,要求扫描探针很细(纳米量 级),然而,探针太细就会极大地减少耦合进入探 针的光强,分辨率反而下降,因此,分辨率的进一 步提高已经面临技术瓶颈。
 
2007 年,Bert Hecht[9]小 组在原子力显微镜探针端面制作一个蝴蝶结形纳 米光学天线,天线总长度约为一个波长,反馈间隙 大约 50 nm,用来观测量子点的荧光效应,发现有量子发射增强现象,理论预测探针分辨率大小约为反馈间隙大小。
 
我们将 40 nm×90 nm×5 nm 反 馈间隙 10 nm 的长方形偶极天线加在直径为 100 nm 的光纤探针顶端, 探测大小为 600 nm×600 nm×100 nm 金属薄膜上 100 nm×100 nm 方孔的近 场成像。入射光波长为 830 nm,TE 极化波。通过扫 描图像分析,发现其分辨率约为 90 nm,灵敏度有 二个数量级的提高(图 2、图 3、图 4)。
 

 图 2 实验装置示意图

 
2.3 高效率太阳能电池
 
传统的太阳能电池面板接收波段多位于可见 光波段,只能接收白天的可见光,在阴暗天气尤其 是夜晚,这些面板几乎不起什么作用,因此转换效 率较低,目前光电转化效率最多在 40%左右。
 
如果 在太阳能电池面板集成可以接收中红外线的纳米 光学天线,则太阳能电池无论白天还是夜晚都可以接收大量中红外线,有望大幅度提高太阳能的 转化效率。
 
另外,纳米天线还可提高太阳能吸收的 截面积,增加量子产额,进一步提高太阳能电池的 转化效率。美国能源部爱达荷州国家实验室(U.S. Department  of  Energy’s  Idaho  National  Laboratory, INL) 研制组负责人 Steven Novack 与 INL 的工程 师 Dale  Kotter,MicroContinuum  公 司 的 W.Dennis Slafer 和密苏里州大学的 Patrick Pinhero 正在合 作研发用于太阳能面板的纳米光学天线。这种天 线由细小的螺旋形或金色方块排列在聚乙烯材料 上,成功收集到了红外线,太阳能吸收效率有望接 近 80%。
 

图 3 聚焦离子束加工的天线原子力探针 扫描电子显微成像端面图
 

 

图 4 聚焦离子束加工的天线原子力探针 扫描电子显微成像侧面图

 

2.4 纳米光刻(nanolithography)
 
在目前加工制作电子电路的工艺水平下,如 利用消逝波近场光刻、纳米压印光刻、扫描探针光 刻、表面等离子体辅助纳米光刻等技术,最小的特 征尺寸大约为 50 nm,然而,新型的光刻技术要 求能够加工纳米尺度的集成回路。
 
消逝波近场光 刻虽然突破了传统的衍射极限,但光的透过效率 比较低且对比度也比较差。采用远紫外线光或短 波长光作为光刻的光源,可以扩展传统光学光刻 技术,但光刻成本会有大幅提高,同时,光刻所需的光学系统也将变得更为复杂。
 
如果将光学天线引入到光刻技术,成本低,又不受衍射极限的限制,还可以采用长波长的可见光来照明标准的光 敏层,制作出亚波长尺寸的结构。
 
将 80 ± 5 nm,间 隔从 16-40nm 的蝴蝶结形金偶极天线阵列集成 在硅衬底上,上面覆盖 75 nm 光刻胶,在波长 800 nm,能量为 27 mJ 的入射光照射上,在光刻胶上形 成的特征长度大约为 30 nm[12]。
 
2.5   高效量子单光子源
 
目前,每个脉冲产生一个光子的器件已经研 制成功,存在的问题是如何把产生的光子沿某一 特定方向高效率地发射出去。
 
光子晶体、介质球、 金属表面、光学微腔结构都可以改变光场方向,而 共振光学天线对光场的改变更为局限化。它能将 入射光场有效限制在亚波长区域,也可使纳米尺 度的小颗粒辐射强度显著增强,同时改变辐射方向。
 
实验证明,将光学天线等离子模调到与附近分 子的电子跃迁频率产生共振时,发光分子与天线 产生足够强的耦合,就可以控制发光的方向。发光 角度取决于天线模态。选择适当的天线,就能把光 导到想要的方向。
 
Van Hulst 小组将长为 80 nm 的 铝制单偶天线接近一个发光分子,通过改变天线 与光耦合方式,分子发出的光可以被重新导向达 90°[17]。纳米天线让可见光任意转弯有望设计成高 效量子单光子源(图 5、图 6)。
 
纳米天线除了上述应用外,还有很多其他方 面的应用,比如,量子器件能量的高效耦合输出
 
(高效纳米激光器)、光电视、高效率纳米电磁波集 中器、高灵敏度生化传感器等等。
 

图 6 (a)水平偶极子辐射方向角示意图, (b)水平偶极子耦合到垂直天线后辐射方向角示意图

 
3、一块硅制成纳米“V”
 
在过去的几年里,IMEC和KU Leuven团队一直在探索利用纳米结构来操纵光传播方向的可能性。他们的探索方向是单元素纳米天线。
 
在2013年,该团队使用纯金制作出的纳米天线成为当时世界上最小的单向光学天线,其形状为“V”型。选择贵金属作为材料的原因是因为它们能产生所谓的“等离体子效应”,这种工作方式与其他材料的纳米天线有着天壤之别。
 
而使用硅材料制作“V”型天线后,研究人员能够获得光的双向散射特性,这与之前使用金获得的单向散射特性形成鲜明对比。
 
在双向散射中,散射的方向取决于入射光的波长。方向上的偏移是渐进的——例如,当波长从775纳米减小到660纳米时,散射方向渐渐地从向左变为向右。通过对天线尺寸和形状的微调,人们能够选择光的不同工作波长。
 
“经过团队的努力,我们发现,当单片硅的几何尺寸小于光的波长时,有效地改变可见光和近红外光各自的传播方向是可行的,”论文的联合作者尼尔斯•弗雷伦(Niels Verellen)解释道,“这说明天线的材料和几何结构都非常关键。我们之前使用过对称纳米颗粒簇,或者是同样形状金属天线,都没能达到这个效果。”
 

光学天线由单张V型硅片制成。该光学天线发散光的方向取决于光的波长。图片来源:Li et al.

 
硅材料与黄金相比,有几点优势。例如,硅可以避免欧姆吸收造成的损耗,这正是等离子纳米天线的主要缺点。此外,硅天线有很大的散射横截面,这意味着硅天线能够更有效地与光发生作用。
 
更重要的是,硅还是一种对CMOS(目前常见的感光元件)完全兼容的材料,因此它能够直接集成到大规模光电设备的制造中。
 
“我们的这些光学天线已经接近光学部件的最小尺寸极限了,”李佳琪说道,“它们在大多数人熟悉的宏观光学与微米/纳米尺寸光学元件,甚至是分子/原子级别的现代电子设备之间,搭建了一座桥梁。”
 
小天线,大用处
 
就应用而言,双向光学天线能够制作出更加紧凑,低价且高效的光感设备,如光学传感器和光电检测器等。这些设备可以用在广泛的领域,包括生命科学、光伏、光纤、环境监测、光学雷达、全息摄影和量子计算等。研究人员的下一步计划就是对这些应用进行全面开发。
 
“绝缘天线引脚非常小,因此在微米和纳米级别的光学系统应用中有着非常好的前景,”Verellen说到。“光子接收或发射方向的可选择性,这在个领域是很重要的。例如,在光学集成电路(PIC)中,光栅耦合器把来自激光或者光纤的光发送到芯片上的波导管中。
 
这些光栅耦合器相对较大,尺寸是光波长的好几倍,因此他们可以由一个或者几个定向的光学天线替代,以进一步减小电路尺寸。”
 
弗雷伦还说道:“尤其在纳米光子学的应用中,每个光子都非常重要。通过引导光子路径(波阵面工程),光子的收集效率大大提高,拉曼光谱和量子光学应用都会从中受益匪浅。举个例子,引导光子路径由能够用来发送信号或者提高接收器的信噪比。
 
“另外,波长与方向的相关性对于光学传感器(如生物或化学领域)的小型化会带来巨大的好处。这些传感器一般是基于感测样本光谱的变化工作的。通常的样本有发散光,传播光或者荧光等。评估频谱信息需要光栅或者滤光器。
 
这些部件尺寸很大,而且很难做得很小。如果把定向光学天线置于距离样本非常近的位置,那么频谱信息就直接存在于散射或者传播的样式中。这样能够简化频谱分析,结果就是仪器价格上越来越低,尺寸上越来越小。”弗雷伦补充道。
 
在未来的科研中,科学家们计划研究这种光学天线如何处理来自微小光源的光,例如量子点光源。此外,科学家们想探索如何利用这种光学天线来驾驭光。
 
“目前,这种硅天线是无源的,” 李佳琪说到。“这意味着,一旦制造出来,天线传播每种颜色的光的方向是固定的。然而,我们可以给天线一个激励,通过调节它的光学属性使它变为有源天线。通过施加某种外部激励,我们理论上能够让天线在指定方向上传播指定颜色的光。”

4    结语
 

图 5 用电子显微镜摄到的纳米天线阵列

 
传统天线收集大范围内的远场能量并将它局限在小的区域,纳米天线结合了传统天线的特点 和 spp 共振增强效应,可以将光频电磁波高效耦 合到亚波长尺度,在很多领域有着广泛的应用。
 
本文介绍了纳米天线的结构、工作原理以及影响场 增强的因子,为选择合适材料和结构的纳米天线 以获得最大限度的场增强提供了理论基础。随着 科学技术向小尺度和低维空间的推进,纳米加工 技术将不断进步,而在其基础上建立起来的一些 技术,如光刻技术、超衍射成像光谱技术等将为新 一代的光电技术发展开创一个崭新的平台。

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延伸阅读:史上最全,关于搞定实验室仪器操作那些事。。。
 

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