可見光波段天線應(yīng)用展望

楊靖宇

（四川大學(xué)，成都 610065）

1 引言

在納米材料迅速發(fā)展的今天，材料學(xué)家和物理學(xué)家們已經(jīng)能夠構(gòu)建出許多精細的納米結(jié)構(gòu)。如果將納米技術(shù)運用在天線上面，制備出納米天線，納米天線不僅可以吸收可見光轉(zhuǎn)換為電流，還能夠通入電流從而成為光源。這種納米天線有希望在光能利用，照明，探測，醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

2 天線基本理論

天線是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成在無界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。對于不同類型的天線，半波天線，全波天線等天線線度與波長相近的天線具有良好的輻射能力和接受能力。圖1是一個有中心饋電的直線狀天線，天線上電流近似為駐波形式，兩端為波節(jié)。設(shè)天線總長度為l，電流分布為：

它的矢勢為：

由磁場感應(yīng)強度與失勢的關(guān)系以及電場強度與失勢的關(guān)系：

經(jīng)過一系列數(shù)學(xué)運算，最終：

同理，對于全波天線也有相同的運算。最終得到：

圖1 天線原理圖

3 納米天線陣與天線“激光”

如果全波天線或半波天線的長度是100nm量級的，可見光波長380～780納米，這樣的天線輻射的電磁波是可見光。例如500nm的全波天線，它可以輻射出藍綠色的可見光，同樣也可以吸收藍綠色可見光轉(zhuǎn)換為電能。

由圖2可見，半波天線與全波天線雖然能夠產(chǎn)生比較高功率的光，例如通入500mA電流，單根全波天線能產(chǎn)生25W的輻射。但是這樣的光方向性差，輻射方向是分散到多個方向的。如果能夠在納米材料上做出許多規(guī)律的天線陣列，那么發(fā)射出的光將具有許多激光的良好性質(zhì)。

圖2 半波天線輻射強度角分布

將工作在同一頻率的兩個或兩個以上的單個天線，按照一定的要求進行饋電和空間排列構(gòu)成天線陣列。由于其各基元天線輻射場的干涉效應(yīng)，其輻射角的方位性在干涉后得到顯著增強。

對于線性等距排列間距為l的N條相同同相激發(fā)的天線：

最上端天線的輻射電場為E0(R,θ,φ)，第二條天線與其相位差為klcosθ

故而輻射功率角分布有一因子：

當Nklcosθ=2mπ，m=±1,±2,…時有零點，這些方向的輻射降低為0。角分布分為若干瓣，輻射能量主要集中于主瓣內(nèi)。

圖3 nXm天線陣輻射能量分布圖

對于n×m的天線陣同理有：

圖4 nXm天線陣輻射能量三維分布

通過計算機模擬出的輻射角分布如圖3、圖4所示，其存在明顯的輻射方向。

4 納米天線光

4.1 方向性強

毫無疑問，這種天線陣產(chǎn)生的光具有非常好的方向性，如果在材料上構(gòu)建多個納米天線凹槽或者突起，然后通入電流，每個天線以相同的頻率輻射，輻射產(chǎn)生的光發(fā)生干涉，從而發(fā)射出細長的一束可見光。

4.2 光功率高

4.3 單色性，相干性好

由于天線的特性決定了其上的電流必須以駐波形式存在，其兩端為波節(jié)，空間頻率為k，滿足駐波條件的電流才能在天線上存在。如果通入合適的正弦電流，天線將輻射出單一頻率的光波，波長。因此，天線的輻射光有比較好的相干性。

5 兩大應(yīng)用前景

5.1 太陽能利用

傳統(tǒng)的硅板依靠光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換太陽能，不僅效率低，而且易受環(huán)境與光照時間限制，利用納米天線陣吸收太陽能就能夠克服這些缺點。

在利用納米天線吸收光能這個方向，國內(nèi)劉媛媛、熊廣等已經(jīng)提出了耦合對稱U形縫隙的多諧振納米天線陣列。該天線的單元結(jié)構(gòu)是在銀介質(zhì)基板上刻蝕4個對稱的U形縫隙，U形縫隙附近產(chǎn)生的表面等離子激元會相互耦合，使其在寬波段內(nèi)產(chǎn)生多個諧振點，從而擁有比較寬的吸收波段。天線陣列在400-870nm，960-1100nm兩個波段內(nèi)吸收率較高，并出現(xiàn)多個吸收峰，吸收峰值最大可以達到99%。

圖5 納米天線結(jié)構(gòu)及其吸收峰

5.2 納米天線激光（新一代激光器）

由于其方向性強，光功率高，單色性和相干性好的特性，納米天線陣有望成為新一代的激光器，即納米天線激光。其構(gòu)造方法如下：

（1）利用納米技術(shù)，在基板上刻蝕出多個納米級別的凹槽構(gòu)成天線陣。

（2）將對應(yīng)頻率交流電通入基板，基板上的凹槽將發(fā)射出納米波長的光波。

根據(jù)前文的理論計算結(jié)果，天線陣效應(yīng)將產(chǎn)生特性優(yōu)良的激光脈沖。如果能夠在如此微小的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生激光，那么我們將不再需要大個頭的激光器，納米、微米量級的微型激光器可以做很多“大”激光器做不到的事情。因此，納米天線激光擁有非常廣闊的應(yīng)用前景。