可见光波段天线应用展望

杨靖宇

（四川大学，成都 610065）

1 引言

在纳米材料迅速发展的今天，材料学家和物理学家们已经能够构建出许多精细的纳米结构。如果将纳米技术运用在天线上面，制备出纳米天线，纳米天线不仅可以吸收可见光转换为电流，还能够通入电流从而成为光源。这种纳米天线有希望在光能利用，照明，探测，医学等领域发挥重要作用。

2 天线基本理论

天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。对于不同类型的天线，半波天线，全波天线等天线线度与波长相近的天线具有良好的辐射能力和接受能力。图1是一个有中心馈电的直线状天线，天线上电流近似为驻波形式，两端为波节。设天线总长度为l，电流分布为：

它的矢势为：

由磁场感应强度与失势的关系以及电场强度与失势的关系：

经过一系列数学运算，最终：

同理，对于全波天线也有相同的运算。最终得到：

图1 天线原理图

3 纳米天线阵与天线“激光”

如果全波天线或半波天线的长度是100nm量级的，可见光波长380～780纳米，这样的天线辐射的电磁波是可见光。例如500nm的全波天线，它可以辐射出蓝绿色的可见光，同样也可以吸收蓝绿色可见光转换为电能。

由图2可见，半波天线与全波天线虽然能够产生比较高功率的光，例如通入500mA电流，单根全波天线能产生25W的辐射。但是这样的光方向性差，辐射方向是分散到多个方向的。如果能够在纳米材料上做出许多规律的天线阵列，那么发射出的光将具有许多激光的良好性质。

图2 半波天线辐射强度角分布

将工作在同一频率的两个或两个以上的单个天线，按照一定的要求进行馈电和空间排列构成天线阵列。由于其各基元天线辐射场的干涉效应，其辐射角的方位性在干涉后得到显著增强。

对于线性等距排列间距为l的N条相同同相激发的天线：

最上端天线的辐射电场为E0(R,θ,φ)，第二条天线与其相位差为klcosθ

故而辐射功率角分布有一因子：

当Nklcosθ=2mπ，m=±1,±2,…时有零点，这些方向的辐射降低为0。角分布分为若干瓣，辐射能量主要集中于主瓣内。

图3 nXm天线阵辐射能量分布图

对于n×m的天线阵同理有：

图4 nXm天线阵辐射能量三维分布

通过计算机模拟出的辐射角分布如图3、图4所示，其存在明显的辐射方向。

4 纳米天线光

4.1 方向性强

毫无疑问，这种天线阵产生的光具有非常好的方向性，如果在材料上构建多个纳米天线凹槽或者突起，然后通入电流，每个天线以相同的频率辐射，辐射产生的光发生干涉，从而发射出细长的一束可见光。

4.2 光功率高

4.3 单色性，相干性好

由于天线的特性决定了其上的电流必须以驻波形式存在，其两端为波节，空间频率为k，满足驻波条件的电流才能在天线上存在。如果通入合适的正弦电流，天线将辐射出单一频率的光波，波长。因此，天线的辐射光有比较好的相干性。

5 两大应用前景

5.1 太阳能利用

传统的硅板依靠光电效应转换太阳能，不仅效率低，而且易受环境与光照时间限制，利用纳米天线阵吸收太阳能就能够克服这些缺点。

在利用纳米天线吸收光能这个方向，国内刘媛媛、熊广等已经提出了耦合对称U形缝隙的多谐振纳米天线阵列。该天线的单元结构是在银介质基板上刻蚀4个对称的U形缝隙，U形缝隙附近产生的表面等离子激元会相互耦合，使其在宽波段内产生多个谐振点，从而拥有比较宽的吸收波段。天线阵列在400-870nm，960-1100nm两个波段内吸收率较高，并出现多个吸收峰，吸收峰值最大可以达到99%。

图5 纳米天线结构及其吸收峰

5.2 纳米天线激光（新一代激光器）

由于其方向性强，光功率高，单色性和相干性好的特性，纳米天线阵有望成为新一代的激光器，即纳米天线激光。其构造方法如下：

（1）利用纳米技术，在基板上刻蚀出多个纳米级别的凹槽构成天线阵。

（2）将对应频率交流电通入基板，基板上的凹槽将发射出纳米波长的光波。

根据前文的理论计算结果，天线阵效应将产生特性优良的激光脉冲。如果能够在如此微小的结构产生激光，那么我们将不再需要大个头的激光器，纳米、微米量级的微型激光器可以做很多“大”激光器做不到的事情。因此，纳米天线激光拥有非常广阔的应用前景。