天線，按維基百科的定義，"是一種用來發(fā)射或接收無線電波—或更廣泛來講—電磁波的器件" 。例如，在無線通信系統(tǒng)中，天線被用于發(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(nèi)置的平面倒F天線(PIFA)，用于接收和輻射射頻波段在2.4GHz和5GHz的電磁波信號。

偶極子天線

由于天線對電磁波的調(diào)控作用服從經(jīng)典電磁學(xué)的基礎(chǔ)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)不變性，也就是說，麥克斯韋方程組并沒有限制天線的工作波長。因此，在射頻波段電磁天線的諸多功能(例如頻率選擇表面，相控陣?yán)走_(dá)等)，邏輯上也可以在光頻段實現(xiàn)。
 

從尺度上來看，天線的工作波長λ與天線尺度L是線性相關(guān)的。以最簡單的1/2波長偶極子天線(dipole antenna)為例，它由兩根1/4波長單極子天線(monopole antenna)組成，其長度是工作波長λ的一半。對于工作900MHz的射頻天線，其長度為估算為 L = λ / 2= (3e8 m/s / 900e6 /s) /2 = 0.167m。而工作波長在可見光的天線，其長度估算為 L = λ /(2n)，這里n為天線所處的介質(zhì)環(huán)境的折射率 [2]。對于工作波長為680nm(紅光)的光學(xué)天線，假設(shè)其制備襯底為硅，則L = λ / (2n)= 680 nm / 2 / 3.4 = 100 nm。可見，對光學(xué)天線(光頻段電磁天線)的研究，首先要解決的是要能實驗制備與光波長尺度可比擬，乃至比光波長尺度還要小的微納結(jié)構(gòu)。

光學(xué)天線

近年來，隨著以電子束刻蝕(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(guī)模加工納米尺度的金屬與介質(zhì)結(jié)構(gòu)成為可能，光頻段電磁天線(簡稱光學(xué)天線)的研究也隨之成為研究熱點。

電子束曝光

 對光學(xué)天線的研究很廣泛，這里只做大致的梳理與分類，以拋磚引玉。

1. 亞波長尺度的光場聚焦：與射頻波段的偶極子天線相類比，光學(xué)天線可以將自由空間中的光頻電磁波匯聚于天線表面亞波長尺度的空間內(nèi)，極大提高了光子的態(tài)密度，因此被廣泛應(yīng)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(zhuǎn)換：制備光學(xué)天線的材料與制備微波波段電磁天線的材料一樣，可以是金，銀，鋁，銅等常見金屬。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(dǎo)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部不再是無窮大。這一特性使得光學(xué)天線對光的損耗增大，可以用作光學(xué)吸收器(absorber)。而光學(xué)天線吸收的光能最后被轉(zhuǎn)化成熱能，體現(xiàn)為溫度的上升。該特性被用于熱紅外探測器，太陽能(thermal photovoltaic），以及腫瘤的治療(photothermal cancer therapy)。

3. 光學(xué)濾波，偏振選擇與相位操控：當(dāng)光學(xué)天線被制備成陣列，又有了諸多新奇而有趣的特性。前面說過，在微波波段，有頻率選擇表面(Frequency Selective Surface)和相控陣?yán)走_(dá)(Phased Array Antenna)的概念。而在光頻段，同樣可以利用光學(xué)天線陣列實現(xiàn)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)天線陣列(Nanoantenna array)的光學(xué)超表面(Metasurface)，對平面圓偏振光各點的相位進行調(diào)控，從而實現(xiàn)可見光波段的超薄平面式成像透鏡。可見，經(jīng)過巧妙設(shè)計的光學(xué)天線及其陣列，有望將傳統(tǒng)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現(xiàn)，也即平面光學(xué)元件(FlatOptics)。

                                         
目前光學(xué)天線是科研界的一個研究熱點，研究角度與應(yīng)用場合也較為廣泛，各種基于光學(xué)天線的新研究領(lǐng)域?qū)映霾桓F，因此本文難免掛一漏萬，只能起到拋磚引玉的作用。

納米光學(xué)天線研究現(xiàn)狀及進展
 

1 納米光學(xué)天線基本結(jié)構(gòu)和原理

目前研究的納米光學(xué)天線多為對稱振子結(jié) 構(gòu)，由兩片金屬薄膜和反饋間隙構(gòu)成（圖 1）。共振 天線的長度取決于入射光的波長。從理論上來說，共振時天線長度約為入射光波長的一半，可實際 上卻比入射光波長的一半要小得多[7]。納米天線振 子臂形狀除了圖 1（a）所示長方形外，也可以為梯 形，蝴蝶結(jié)形等（圖 1（b）、圖 1（c））。薄膜材料多為 金、銀，也可用碳納米管制成。
 
納米光學(xué)天線的基本原理是基于金屬孔超常 透射現(xiàn)象。雖然實驗上已經(jīng)多次證明存在金屬孔 超常透射，但物理機制還沒有完全搞清楚，尚存在 相互矛盾的爭議，因此，關(guān)于納米光學(xué)天線的實現(xiàn) 聚焦和增強的機制也不是十分清楚。較為認(rèn)同的
 
理論是，當(dāng)光照射在這些納米天線上發(fā)生衍射和 散射時，將會在其表面產(chǎn)生表面等離子體激元（SPPs）。這些 SPPs 波長較小，一部分由于隧道效 應(yīng)穿透到小孔的另一面，在金屬薄膜足夠薄的時 候，金屬上下表面的 SPPs 將會發(fā)生重疊實現(xiàn)共振 增強。
 
但關(guān)于 SPPs 在其中的作用還有另外一種 說法：當(dāng)入射波矢與天線 SPPs 波矢匹配時，發(fā)生等離激元共振（ SPR），共振效應(yīng)產(chǎn)生強的自由電子集體振蕩，在反饋間隙邊緣。
 
振子兩端出現(xiàn)時變異種電荷，由于反饋間隙很小，靜電耦合很強，從而 獲得巨大的場增強[8]。也有人從天線結(jié)構(gòu)出發(fā)給出 了天線增強因子，認(rèn)為影響場增強因子 L=LLR LQS LSPPR，其中，(Lightning rod effect   LLR)描述尖端效應(yīng)， (qusi-static LQS)  描述準(zhǔn)靜態(tài)因素，(the plasmon re－ sonance LSPPR)描述表面等離子共振因素。
 

 
(a)長方形                 (b)梯形              (c)蝴蝶結(jié)形

 圖 1納米光學(xué)天線振子結(jié)構(gòu)圖示

2 納米光學(xué)天線研究進展
 
目前，納米光學(xué)天線的應(yīng)用研究主要集中在 超衍射極限成像、新型近場光學(xué)探針、太陽能的轉(zhuǎn) 化效率、納米尺度內(nèi)光信息的傳播控制、納米光刻 等多個領(lǐng)域。
 
2.1超衍射極限成像
 
傳統(tǒng)成像系統(tǒng)受衍射極限限制，聚焦光斑無 法做到納米量級，從而限制其分辨率。使用光學(xué)天 線可以實現(xiàn)超衍射極限成像。2006 年，Harvard 小 組在波長為 830 nm 商業(yè)激光二極管上制作了兩 個 130 nm 長、50 nm 寬、中間間隔為 30 nm 的金 偶極天線，成功地將光束集中到只有 30 nm 的點 上[15]。
 
高聚光性的納米光學(xué)天線突破了激光應(yīng)用 的極限，可在一張 DVD 盤中容納數(shù)百部電影片。 2007 年，微型半導(dǎo)體量子級聯(lián)(QC)激光器發(fā)明人 之一—哈佛大學(xué)的 Federico Capasso 教授設(shè)計 出了一種光學(xué)天線，通過在 QC 激光器上安裝該天線，實現(xiàn)了納米級的精度對激光點聚焦，從而可 以使 QC 激光器執(zhí)行亞微米級的掃描。
 
進一步的 研究還表明，這種結(jié)構(gòu)可使分辨率提高到照明波 長的百分之一。使用這種更加聚焦的 QC 激光的 頻譜－光子掃描儀能夠?qū)崟r地對從半導(dǎo)體到醫(yī)療 樣本的各種表面的亞微米級化學(xué)成分進行成像。 這種新型裝置將光學(xué)天線和激光結(jié)合起來，只由少量零件構(gòu)成。相比之前的其它技術(shù)，它的體積更 小，有更好的信噪比。
 
2.2 高分辨近場光學(xué)顯微鏡
 
傳統(tǒng)近場光學(xué)顯微鏡探測的是樣品表面的倏 逝場。為提高分辨率，要求掃描探針很細(xì)（納米量 級），然而，探針太細(xì)就會極大地減少耦合進入探 針的光強，分辨率反而下降，因此，分辨率的進一 步提高已經(jīng)面臨技術(shù)瓶頸。
 
2007 年，Bert Hecht[9]小 組在原子力顯微鏡探針端面制作一個蝴蝶結(jié)形納 米光學(xué)天線，天線總長度約為一個波長，反饋間隙 大約 50 nm，用來觀測量子點的熒光效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)有量子發(fā)射增強現(xiàn)象，理論預(yù)測探針分辨率大小約為反饋間隙大小。
 
我們將 40 nm×90 nm×5 nm 反 饋間隙 10 nm 的長方形偶極天線加在直徑為 100 nm 的光纖探針頂端， 探測大小為 600 nm×600 nm×100 nm 金屬薄膜上 100 nm×100 nm 方孔的近 場成像。入射光波長為 830 nm，TE 極化波。通過掃 描圖像分析，發(fā)現(xiàn)其分辨率約為 90 nm，靈敏度有 二個數(shù)量級的提高(圖 2、圖 3、圖 4)。
 

 圖 2 實驗裝置示意圖

2.3 高效率太陽能電池
 
傳統(tǒng)的太陽能電池面板接收波段多位于可見 光波段，只能接收白天的可見光，在陰暗天氣尤其 是夜晚，這些面板幾乎不起什么作用，因此轉(zhuǎn)換效 率較低，目前光電轉(zhuǎn)化效率最多在 40%左右。
 
如果 在太陽能電池面板集成可以接收中紅外線的納米 光學(xué)天線，則太陽能電池?zé)o論白天還是夜晚都可以接收大量中紅外線，有望大幅度提高太陽能的 轉(zhuǎn)化效率。
 
另外，納米天線還可提高太陽能吸收的 截面積，增加量子產(chǎn)額，進一步提高太陽能電池的 轉(zhuǎn)化效率。美國能源部愛達(dá)荷州國家實驗室（U.S. Department  of  Energy’s  Idaho  National  Laboratory， INL） 研制組負(fù)責(zé)人 Steven Novack 與 INL 的工程 師 Dale  Kotter，MicroContinuum  公 司 的 W.Dennis Slafer 和密蘇里州大學(xué)的 Patrick Pinhero 正在合 作研發(fā)用于太陽能面板的納米光學(xué)天線。這種天 線由細(xì)小的螺旋形或金色方塊排列在聚乙烯材料 上，成功收集到了紅外線，太陽能吸收效率有望接 近 80%。
 

圖 3 聚焦離子束加工的天線原子力探針 掃描電子顯微成像端面圖
 

圖 4 聚焦離子束加工的天線原子力探針 掃描電子顯微成像側(cè)面圖

2.4 納米光刻（nanolithography）
 
在目前加工制作電子電路的工藝水平下，如 利用消逝波近場光刻、納米壓印光刻、掃描探針光 刻、表面等離子體輔助納米光刻等技術(shù)，最小的特 征尺寸大約為 50 nm，然而，新型的光刻技術(shù)要 求能夠加工納米尺度的集成回路。
 
消逝波近場光 刻雖然突破了傳統(tǒng)的衍射極限，但光的透過效率 比較低且對比度也比較差。采用遠(yuǎn)紫外線光或短 波長光作為光刻的光源，可以擴展傳統(tǒng)光學(xué)光刻 技術(shù)，但光刻成本會有大幅提高，同時，光刻所需的光學(xué)系統(tǒng)也將變得更為復(fù)雜。
 
如果將光學(xué)天線引入到光刻技術(shù)，成本低，又不受衍射極限的限制，還可以采用長波長的可見光來照明標(biāo)準(zhǔn)的光 敏層，制作出亞波長尺寸的結(jié)構(gòu)。
 
將 80 ± 5 nm，間 隔從 16-40nm 的蝴蝶結(jié)形金偶極天線陣列集成 在硅襯底上，上面覆蓋 75 nm 光刻膠，在波長 800 nm，能量為 27 mJ 的入射光照射上，在光刻膠上形 成的特征長度大約為 30 nm[12]。
 
2.5   高效量子單光子源
 
目前，每個脈沖產(chǎn)生一個光子的器件已經(jīng)研 制成功，存在的問題是如何把產(chǎn)生的光子沿某一 特定方向高效率地發(fā)射出去。
 
光子晶體、介質(zhì)球、 金屬表面、光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)都可以改變光場方向，而 共振光學(xué)天線對光場的改變更為局限化。它能將 入射光場有效限制在亞波長區(qū)域，也可使納米尺 度的小顆粒輻射強度顯著增強，同時改變輻射方向。
 
實驗證明，將光學(xué)天線等離子模調(diào)到與附近分 子的電子躍遷頻率產(chǎn)生共振時，發(fā)光分子與天線 產(chǎn)生足夠強的耦合，就可以控制發(fā)光的方向。發(fā)光 角度取決于天線模態(tài)。選擇適當(dāng)?shù)奶炀�，就能把光 導(dǎo)到想要的方向。
 
Van Hulst 小組將長為 80 nm 的 鋁制單偶天線接近一個發(fā)光分子，通過改變天線 與光耦合方式，分子發(fā)出的光可以被重新導(dǎo)向達(dá) 90°[17]。納米天線讓可見光任意轉(zhuǎn)彎有望設(shè)計成高 效量子單光子源（圖 5、圖 6）。
 
納米天線除了上述應(yīng)用外，還有很多其他方 面的應(yīng)用，比如，量子器件能量的高效耦合輸出
 
（高效納米激光器）、光電視、高效率納米電磁波集 中器、高靈敏度生化傳感器等等。
 

圖 6 (a)水平偶極子輻射方向角示意圖， (b)水平偶極子耦合到垂直天線后輻射方向角示意圖

3、一塊硅制成納米“V”
 
在過去的幾年里，IMEC和KU Leuven團隊一直在探索利用納米結(jié)構(gòu)來操縱光傳播方向的可能性。他們的探索方向是單元素納米天線。
 
在2013年，該團隊使用純金制作出的納米天線成為當(dāng)時世界上最小的單向光學(xué)天線，其形狀為“V”型。選擇貴金屬作為材料的原因是因為它們能產(chǎn)生所謂的“等離體子效應(yīng)”，這種工作方式與其他材料的納米天線有著天壤之別。
 
而使用硅材料制作“V”型天線后，研究人員能夠獲得光的雙向散射特性，這與之前使用金獲得的單向散射特性形成鮮明對比。
 
在雙向散射中，散射的方向取決于入射光的波長。方向上的偏移是漸進的——例如，當(dāng)波長從775納米減小到660納米時，散射方向漸漸地從向左變?yōu)橄蛴摇Ｍㄟ^對天線尺寸和形狀的微調(diào)，人們能夠選擇光的不同工作波長。
 
“經(jīng)過團隊的努力，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單片硅的幾何尺寸小于光的波長時，有效地改變可見光和近紅外光各自的傳播方向是可行的，”論文的聯(lián)合作者尼爾斯•弗雷倫（Niels Verellen）解釋道，“這說明天線的材料和幾何結(jié)構(gòu)都非常關(guān)鍵。我們之前使用過對稱納米顆粒簇，或者是同樣形狀金屬天線，都沒能達(dá)到這個效果。”
 

光學(xué)天線由單張V型硅片制成。該光學(xué)天線發(fā)散光的方向取決于光的波長。圖片來源：Li et al.

硅材料與黃金相比，有幾點優(yōu)勢。例如，硅可以避免歐姆吸收造成的損耗，這正是等離子納米天線的主要缺點。此外，硅天線有很大的散射橫截面，這意味著硅天線能夠更有效地與光發(fā)生作用。
 
更重要的是，硅還是一種對CMOS（目前常見的感光元件）完全兼容的材料，因此它能夠直接集成到大規(guī)模光電設(shè)備的制造中。
 
“我們的這些光學(xué)天線已經(jīng)接近光學(xué)部件的最小尺寸極限了，”李佳琪說道，“它們在大多數(shù)人熟悉的宏觀光學(xué)與微米/納米尺寸光學(xué)元件，甚至是分子/原子級別的現(xiàn)代電子設(shè)備之間，搭建了一座橋梁。”
 
小天線，大用處
 
就應(yīng)用而言，雙向光學(xué)天線能夠制作出更加緊湊，低價且高效的光感設(shè)備，如光學(xué)傳感器和光電檢測器等。這些設(shè)備可以用在廣泛的領(lǐng)域，包括生命科學(xué)、光伏、光纖、環(huán)境監(jiān)測、光學(xué)雷達(dá)、全息攝影和量子計算等。研究人員的下一步計劃就是對這些應(yīng)用進行全面開發(fā)。
 
“絕緣天線引腳非常小，因此在微米和納米級別的光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用中有著非常好的前景，”Verellen說到。“光子接收或發(fā)射方向的可選擇性，這在個領(lǐng)域是很重要的。例如，在光學(xué)集成電路（PIC）中，光柵耦合器把來自激光或者光纖的光發(fā)送到芯片上的波導(dǎo)管中。
 
這些光柵耦合器相對較大，尺寸是光波長的好幾倍，因此他們可以由一個或者幾個定向的光學(xué)天線替代，以進一步減小電路尺寸。”
 
弗雷倫還說道：“尤其在納米光子學(xué)的應(yīng)用中，每個光子都非常重要。通過引導(dǎo)光子路徑（波陣面工程），光子的收集效率大大提高，拉曼光譜和量子光學(xué)應(yīng)用都會從中受益匪淺。舉個例子，引導(dǎo)光子路徑由能夠用來發(fā)送信號或者提高接收器的信噪比。
 
“另外，波長與方向的相關(guān)性對于光學(xué)傳感器（如生物或化學(xué)領(lǐng)域）的小型化會帶來巨大的好處。這些傳感器一般是基于感測樣本光譜的變化工作的。通常的樣本有發(fā)散光，傳播光或者熒光等。評估頻譜信息需要光柵或者濾光器。
 
這些部件尺寸很大，而且很難做得很小。如果把定向光學(xué)天線置于距離樣本非常近的位置，那么頻譜信息就直接存在于散射或者傳播的樣式中。這樣能夠簡化頻譜分析，結(jié)果就是儀器價格上越來越低，尺寸上越來越小。”弗雷倫補充道。
 
在未來的科研中，科學(xué)家們計劃研究這種光學(xué)天線如何處理來自微小光源的光，例如量子點光源。此外，科學(xué)家們想探索如何利用這種光學(xué)天線來駕馭光。
 
“目前，這種硅天線是無源的，” 李佳琪說到。“這意味著，一旦制造出來，天線傳播每種顏色的光的方向是固定的。然而，我們可以給天線一個激勵，通過調(diào)節(jié)它的光學(xué)屬性使它變?yōu)橛性刺炀�。通過施加某種外部激勵，我們理論上能夠讓天線在指定方向上傳播指定顏色的光。”

4    結(jié)語
 

圖 5 用電子顯微鏡攝到的納米天線陣列

傳統(tǒng)天線收集大范圍內(nèi)的遠(yuǎn)場能量并將它局限在小的區(qū)域，納米天線結(jié)合了傳統(tǒng)天線的特點 和 spp 共振增強效應(yīng)，可以將光頻電磁波高效耦 合到亞波長尺度，在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
 
本文介紹了納米天線的結(jié)構(gòu)、工作原理以及影響場 增強的因子，為選擇合適材料和結(jié)構(gòu)的納米天線 以獲得最大限度的場增強提供了理論基礎(chǔ)。隨著 科學(xué)技術(shù)向小尺度和低維空間的推進，納米加工 技術(shù)將不斷進步，而在其基礎(chǔ)上建立起來的一些 技術(shù)，如光刻技術(shù)、超衍射成像光譜技術(shù)等將為新 一代的光電技術(shù)發(fā)展開創(chuàng)一個嶄新的平臺。