纳米光天线宽频带特性研究

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1、纳米光天线宽频带特性研究第一章绪论1.1研究背景和意义天线的概念于1476年由Aristotle翻译介绍。自赫兹和马可发明天线之后，天线就成为无线信息传输技的重要元素之一。在射频领域，天线是将电流和磁流转换成无线电波的设备，反之亦然，将无线电波转换成电流。通常，这个定义比较容易理解天线发射和接收电磁波。发射天线的定义意味着它有较高的辐射效率，然而接收天线必须对无线电磁波有足够的敏感性。1895年，GuglielmoMarconi介绍了天线收音机。在日常生活中，天线已有大量广泛应用，例如无线电话、电视广播、导航

2、系统、等等。在射频和微波领域，天线是控制无线通讯的关键技术。目前通信系统需要新型的工作频率范围在微波或者甚高频的天线。超高频与和超短波天线同样适用于航天器通信，包括人造卫星。超高频和超短波天线不仅用于通讯，还可可以用于地球表面的卫星监测。并且这些天线还有其它方面非传统的应用，例如：作为环境传感器元素。超高频天线被成功用于乳腺肿瘤的早期诊断和过高热的疗法。需要注意的是超高频天线和超短波天线是雷达和电波望远镜的重要组成部分。所有的这些应用需要经典天线的进一步改进。考虑到科学的一个新分支——纳米光学的出现，天线的定

3、义应该扩展，纳米光学是研究亚微米甚至纳米尺度的物体对光信号的传输和接收特性。纳米光学提出一个关于纳米原件之间信息传输的效率和方向性问题。相对于较小的组成，甚至单个分子和分子族，纳米光学中的辐射源本身就是纳米器件纳米。作为纳米天线的纳米量级对象必须具有辐射效率和方向的特性。在天线辐射或者感应电流概念有点不完备的情况下，如何定义这一背景下的天线是一个问题。纳米天线的术语也开始在研究文献中出现。接收纳米天线是将入射光转化成有限区域内的场的设备。相反地，发射天线是将光频域中一个特定的源产生的有限区域的局域场转化为光辐

4、射。随着科技的进步与发展，对数据传输和处理性能的要求也不断提高。过去的1半个多世纪以来，电子器件的处理速度更快、体积更小、处理能力更有效。然而等比缩小电子器件的尺寸具有极大的挑战性。影响处理器速度提高的关键问题是电子互连有关的热和信号迟滞，而光互连的数据承载能力巨大。如果在分布式系统架构的芯片中使用光互连，则可以为上述问题提供解决方案。然而由于介质光学器件受到衍射极限限制，其尺寸被限制在大约半个光波长。而纳米级的电子器件比介质型的光学器件小一个或者两个数量级。光器件的小型化和器件之间的匹配成为该领域的研究热点

5、。所以如何获得超衍射极限的各种光学器件是实现纳米光学集成的基础。1985年，Wessel教授发现金属小颗粒有接收和发射电磁波的性质，该现象类似于传统的天线，基于此最早提出光天线的概念。Grober[1]于1997年提出了光天线的概念，并且构想平面蝴蝶结型天线作为近场探针。1998年，Ebbesen的亚波长金属小孔阵列结构异常透过的实验结果[2]发表之后，纳米结构的电磁特性研究迅速展开。2003年，K.B.Crozier小组制作了金属薄膜条阵列[3]，并且发现了金属薄膜条阵列对红外波段的光有较强的局域和增强效应

6、。2004年，W.E.Moerner等人设计了金属蝴蝶结型天线[4]，得到了103量级的场增强。2005年，B.Hecht小组报道了能实现纳米量级聚焦的金偶极光天线[5]，为纳米成像、纳米光刻等领域的发展提供了广阔的应用前景。2006年，Corozier和Capasso小组制造了金材料的纳米天线，该天线能实现直径40nm的红外光斑聚焦[6]。2008年，Mohammadi等人研究了金纳米棒和纳米球对辐射源辐射衰减率和辐射效率的影响[7]。2009年，P.Biagioni提出了不受极化方向影响的交叉天线，该天线

7、由两个偶极天线组成，可将任意极化方向入射的光转化为局域增强的近场[8]。2011年，HeykelAouani等人设计了梯形对数周期光天线，并且从理论和实验上研究该光天线的宽频带特性，得到了表面增强红外吸收增益大约在105量级[9]。2012年，BrianJ.Roxworthy等人利用金蝴蝶结型纳米天线阵列实现了集高捕获效率和粒子排序功能于一体的系统。该系统可以实现单粒子或者多粒子的捕获和控制以及粒子分选，其低输入能量的特性在生物应用中可以有效地降低样本的光损伤[10]。2013年，Yao等设计了石墨烯负载等离

8、子天线。作者利用石墨烯作为可调负载，使天线在中红外频率区的调制范围达到650nm[11].2近期，武汉大学郑国兴与伯明翰大学教授張霜，利用反射式纳米光天线阵列，在实验中捕捉到爱因斯坦激光全息图像，并且实現了高达80%的实测衍射效率。這一成果超越了传統材料的激光全息水平，而且其制造工艺仅需一步光刻，大大简化了工艺流程。美国伊利诺斯大学研究小组基曼尼·图森特设计了一种柱-领结纳米天线阵列，在电子扫描显微