天線，按維基百科的定義(yi) ，"是一種用來發射或接收無線電波—或更廣泛來講—電磁波的器件" 。例如，在無線通信係統中，天線被用於(yu) 發射與(yu) 接收射頻與(yu) 微波波段的電磁波。而在我們(men) 的智能手機中，就有內(nei) 置的平麵倒F天線(PIFA)，用於(yu) 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

由於(yu) 天線對電磁波的調控作用服從(cong) 經典電磁學的基礎方程，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，麥克斯韋方程組並沒有限製天線的工作波長。因此，在射頻波段電磁天線的諸多功能(例如頻率選擇表麵，相控陣雷達等)，邏輯上也可以在光頻段實現。
 

從(cong) 尺度上來看，天線的工作波長λ與(yu) 天線尺度L是線性相關(guan) 的。以最簡單的1/2波長偶極子天線(dipole antenna)為(wei) 例，它由兩(liang) 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。對於(yu) 工作900MHz的射頻天線，其長度為(wei) 估算為(wei) 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(wei) L = λ /(2n)，這裏n為(wei) 天線所處的介質環境的折射率 [2]。對於(yu) 工作波長為(wei) 680nm(紅光)的光學天線，假設其製備襯底為(wei) 矽，則L = λ / (2n)= 680 nm / 2 / 3.4 = 100 nm。可見，對光學天線(光頻段電磁天線)的研究，首先要解決(jue) 的是要能實驗製備與(yu) 光波長尺度可比擬，乃至比光波長尺度還要小的微納結構。

光學天線

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(wei) 代表的“至頂向下”式納米加工技術的日趨成熟，大規模加工納米尺度的金屬與(yu) 介質結構成為(wei) 可能，光頻段電磁天線(簡稱光學天線)的研究也隨之成為(wei) 研究熱點。

電子束曝光

 對光學天線的研究很廣泛，這裏隻做大致的梳理與(yu) 分類，以拋磚引玉。

1. 亞(ya) 波長尺度的光場聚焦：與(yu) 射頻波段的偶極子天線相類比，光學天線可以將自由空間中的光頻電磁波匯聚於(yu) 天線表麵亞(ya) 波長尺度的空間內(nei) ，極大提高了光子的態密度，因此被廣泛應用於(yu) 突破衍射極限，並增強光與(yu) 物質的相互作用(light-matterinteraction)。

 2. 光吸收與(yu) 光熱轉換：製備光學天線的材料與(yu) 製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不再像微波波段那樣可以等效為(wei) 完純導體(ti) ，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。這一特性使得光學天線對光的損耗增大，可以用作光學吸收器(absorber)。而光學天線吸收的光能最後被轉化成熱能，體(ti) 現為(wei) 溫度的上升。該特性被用於(yu) 熱紅外探測器，太陽能(thermal photovoltaic），以及腫瘤的治療(photothermal cancer therapy)。

3. 光學濾波，偏振選擇與(yu) 相位操控：當光學天線被製備成陣列，又有了諸多新奇而有趣的特性。前麵說過，在微波波段，有頻率選擇表麵(Frequency Selective Surface)和相控陣雷達(Phased Array Antenna)的概念。而在光頻段，同樣可以利用光學天線陣列實現光波的濾波，偏振選擇，以及相位操控。例如，最新一期的Science封麵文章，就是利用基於(yu) 光學天線陣列(Nanoantenna array)的光學超表麵(Metasurface)，對平麵圓偏振光各點的相位進行調控，從(cong) 而實現可見光波段的超薄平麵式成像透鏡。可見，經過巧妙設計的光學天線及其陣列，有望將傳(chuan) 統光學元件(濾光片，偏振片，成像透鏡等等)的諸多功能壓縮至光學薄膜的厚度上加以實現，也即平麵光學元件(FlatOptics)。

                                         
目前光學天線是科研界的一個(ge) 研究熱點，研究角度與(yu) 應用場合也較為(wei) 廣泛，各種基於(yu) 光學天線的新研究領域層出不窮，因此本文難免掛一漏萬(wan) ，隻能起到拋磚引玉的作用。

納米光學天線研究現狀及進展
 

1 納米光學天線基本結構和原理

目前研究的納米光學天線多為(wei) 對稱振子結 構，由兩(liang) 片金屬薄膜和反饋間隙構成（圖 1）。共振 天線的長度取決(jue) 於(yu) 入射光的波長。從(cong) 理論上來說，共振時天線長度約為(wei) 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(wei) 梯 形，蝴蝶結形等（圖 1（b）、圖 1（c））。薄膜材料多為(wei) 金、銀，也可用碳納米管製成。
 
納米光學天線的基本原理是基於(yu) 金屬孔超常 透射現象。雖然實驗上已經多次證明存在金屬孔 超常透射，但物理機製還沒有完全搞清楚，尚存在 相互矛盾的爭(zheng) 議，因此，關(guan) 於(yu) 納米光學天線的實現 聚焦和增強的機製也不是十分清楚。較為(wei) 認同的
 
理論是，當光照射在這些納米天線上發生衍射和 散射時，將會(hui) 在其表麵產(chan) 生表麵等離子體(ti) 激元（SPPs）。這些 SPPs 波長較小，一部分由於(yu) 隧道效 應穿透到小孔的另一麵，在金屬薄膜足夠薄的時 候，金屬上下表麵的 SPPs 將會(hui) 發生重疊實現共振 增強。
 
但關(guan) 於(yu) SPPs 在其中的作用還有另外一種 說法：當入射波矢與(yu) 天線 SPPs 波矢匹配時，發生等離激元共振（ SPR），共振效應產(chan) 生強的自由電子集體(ti) 振蕩，在反饋間隙邊緣。
 
振子兩(liang) 端出現時變異種電荷，由於(yu) 反饋間隙很小，靜電耦合很強，從(cong) 而 獲得巨大的場增強[8]。也有人從(cong) 天線結構出發給出 了天線增強因子，認為(wei) 影響場增強因子 L=LLR LQS LSPPR，其中，(Lightning rod effect   LLR)描述尖端效應， (qusi-static LQS)  描述準靜態因素，(the plasmon re－ sonance LSPPR)描述表麵等離子共振因素。
 

 
(a)長方形                 (b)梯形              (c)蝴蝶結形

 圖 1納米光學天線振子結構圖示

2 納米光學天線研究進展
 
目前，納米光學天線的應用研究主要集中在 超衍射極限成像、新型近場光學探針、太陽能的轉 化效率、納米尺度內(nei) 光信息的傳(chuan) 播控製、納米光刻 等多個(ge) 領域。
 
2.1超衍射極限成像
 
傳(chuan) 統成像係統受衍射極限限製，聚焦光斑無 法做到納米量級，從(cong) 而限製其分辨率。使用光學天 線可以實現超衍射極限成像。2006 年，Harvard 小 組在波長為(wei) 830 nm 商業(ye) 激光二極管上製作了兩(liang) 個(ge) 130 nm 長、50 nm 寬、中間間隔為(wei) 30 nm 的金 偶極天線，成功地將光束集中到隻有 30 nm 的點 上[15]。
 
高聚光性的納米光學天線突破了激光應用 的極限，可在一張 DVD 盤中容納數百部電影片。 2007 年，微型半導體(ti) 量子級聯(QC)激光器發明人 之一—哈佛大學的 Federico Capasso 教授設計 出了一種光學天線，通過在 QC 激光器上安裝該天線，實現了納米級的精度對激光點聚焦，從(cong) 而可 以使 QC 激光器執行亞(ya) 微米級的掃描。
 
進一步的 研究還表明，這種結構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(yi) 能夠實時地對從(cong) 半導體(ti) 到醫療 樣本的各種表麵的亞(ya) 微米級化學成分進行成像。 這種新型裝置將光學天線和激光結合起來，隻由少量零件構成。相比之前的其它技術，它的體(ti) 積更 小，有更好的信噪比。
 
2.2 高分辨近場光學顯微鏡
 
傳(chuan) 統近場光學顯微鏡探測的是樣品表麵的倏 逝場。為(wei) 提高分辨率，要求掃描探針很細（納米量 級），然而，探針太細就會(hui) 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 步提高已經麵臨(lin) 技術瓶頸。
 
2007 年，Bert Hecht[9]小 組在原子力顯微鏡探針端麵製作一個(ge) 蝴蝶結形納 米光學天線，天線總長度約為(wei) 一個(ge) 波長，反饋間隙 大約 50 nm，用來觀測量子點的熒光效應，發現有量子發射增強現象，理論預測探針分辨率大小約為(wei) 反饋間隙大小。
 
我們(men) 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(wei) 100 nm 的光纖探針頂端， 探測大小為(wei) 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(wei) 830 nm，TE 極化波。通過掃 描圖像分析，發現其分辨率約為(wei) 90 nm，靈敏度有 二個(ge) 數量級的提高(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(chuan) 統的太陽能電池麵板接收波段多位於(yu) 可見 光波段，隻能接收白天的可見光，在陰暗天氣尤其 是夜晚，這些麵板幾乎不起什麽(me) 作用，因此轉換效 率較低，目前光電轉化效率最多在 40%左右。
 
如果 在太陽能電池麵板集成可以接收中紅外線的納米 光學天線，則太陽能電池無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 轉化效率。
 
另外，納米天線還可提高太陽能吸收的 截麵積，增加量子產(chan) 額，進一步提高太陽能電池的 轉化效率。美國能源部愛達荷州國家實驗室（U.S. Department  of  Energy’s  Idaho  National  Laboratory， INL） 研製組負責人 Steven Novack 與(yu) INL 的工程 師 Dale  Kotter，MicroContinuum  公 司 的 W.Dennis Slafer 和密蘇裏州大學的 Patrick Pinhero 正在合 作研發用於(yu) 太陽能麵板的納米光學天線。這種天 線由細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麵圖
 

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(ce) 麵圖

2.4 納米光刻（nanolithography）
 
在目前加工製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、表麵等離子體(ti) 輔助納米光刻等技術，最小的特 征尺寸大約為(wei) 50 nm，然而，新型的光刻技術要 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(chuan) 統的衍射極限，但光的透過效率 比較低且對比度也比較差。采用遠紫外線光或短 波長光作為(wei) 光刻的光源，可以擴展傳(chuan) 統光學光刻 技術，但光刻成本會(hui) 有大幅提高，同時，光刻所需的光學係統也將變得更為(wei) 複雜。
 
如果將光學天線引入到光刻技術，成本低，又不受衍射極限的限製，還可以采用長波長的可見光來照明標準的光 敏層，製作出亞(ya) 波長尺寸的結構。
 
將 80 ± 5 nm，間 隔從(cong) 16-40nm 的蝴蝶結形金偶極天線陣列集成 在矽襯底上，上麵覆蓋 75 nm 光刻膠，在波長 800 nm，能量為(wei) 27 mJ 的入射光照射上，在光刻膠上形 成的特征長度大約為(wei) 30 nm[12]。
 
2.5   高效量子單光子源
 
目前，每個(ge) 脈衝(chong) 產(chan) 生一個(ge) 光子的器件已經研 製成功，存在的問題是如何把產(chan) 生的光子沿某一 特定方向高效率地發射出去。
 
光子晶體(ti) 、介質球、 金屬表麵、光學微腔結構都可以改變光場方向，而 共振光學天線對光場的改變更為(wei) 局限化。它能將 入射光場有效限製在亞(ya) 波長區域，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，將光學天線等離子模調到與(yu) 附近分 子的電子躍遷頻率產(chan) 生共振時，發光分子與(yu) 天線 產(chan) 生足夠強的耦合，就可以控製發光的方向。發光 角度取決(jue) 於(yu) 天線模態。選擇適當的天線，就能把光 導到想要的方向。
 
Van Hulst 小組將長為(wei) 80 nm 的 鋁製單偶天線接近一個(ge) 發光分子，通過改變天線 與(yu) 光耦合方式，分子發出的光可以被重新導向達 90°[17]。納米天線讓可見光任意轉彎有望設計成高 效量子單光子源（圖 5、圖 6）。
 
納米天線除了上述應用外，還有很多其他方 麵的應用，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(chuan) 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後輻射方向角示意圖

3、一塊矽製成納米“V”
 
在過去的幾年裏，IMEC和KU Leuven團隊一直在探索利用納米結構來操縱光傳(chuan) 播方向的可能性。他們(men) 的探索方向是單元素納米天線。
 
在2013年，該團隊使用純金製作出的納米天線成為(wei) 當時世界上最小的單向光學天線，其形狀為(wei) “V”型。選擇貴金屬作為(wei) 材料的原因是因為(wei) 它們(men) 能產(chan) 生所謂的“等離體(ti) 子效應”，這種工作方式與(yu) 其他材料的納米天線有著天壤之別。
 
而使用矽材料製作“V”型天線後，研究人員能夠獲得光的雙向散射特性，這與(yu) 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(jue) 於(yu) 入射光的波長。方向上的偏移是漸進的——例如，當波長從(cong) 775納米減小到660納米時，散射方向漸漸地從(cong) 向左變為(wei) 向右。通過對天線尺寸和形狀的微調，人們(men) 能夠選擇光的不同工作波長。
 
“經過團隊的努力，我們(men) 發現，當單片矽的幾何尺寸小於(yu) 光的波長時，有效地改變可見光和近紅外光各自的傳(chuan) 播方向是可行的，”論文的聯合作者尼爾斯•弗雷倫(lun) （Niels Verellen）解釋道，“這說明天線的材料和幾何結構都非常關(guan) 鍵。我們(men) 之前使用過對稱納米顆粒簇，或者是同樣形狀金屬天線，都沒能達到這個(ge) 效果。”
 

光學天線由單張V型矽片製成。該光學天線發散光的方向取決(jue) 於(yu) 光的波長。圖片來源：Li et al.

矽材料與(yu) 黃金相比，有幾點優(you) 勢。例如，矽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，矽天線有很大的散射橫截麵，這意味著矽天線能夠更有效地與(yu) 光發生作用。
 
更重要的是，矽還是一種對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模光電設備的製造中。
 
“我們(men) 的這些光學天線已經接近光學部件的最小尺寸極限了，”李佳琪說道，“它們(men) 在大多數人熟悉的宏觀光學與(yu) 微米/納米尺寸光學元件，甚至是分子/原子級別的現代電子設備之間，搭建了一座橋梁。”
 
小天線，大用處
 
就應用而言，雙向光學天線能夠製作出更加緊湊，低價(jia) 且高效的光感設備，如光學傳(chuan) 感器和光電檢測器等。這些設備可以用在廣泛的領域，包括生命科學、光伏、光纖、環境監測、光學雷達、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用進行全麵開發。
 
“絕緣天線引腳非常小，因此在微米和納米級別的光學係統應用中有著非常好的前景，”Verellen說到。“光子接收或發射方向的可選擇性，這在個(ge) 領域是很重要的。例如，在光學集成電路（PIC）中，光柵耦合器把來自激光或者光纖的光發送到芯片上的波導管中。
 
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(men) 可以由一個(ge) 或者幾個(ge) 定向的光學天線替代，以進一步減小電路尺寸。”
 
弗雷倫(lun) 還說道：“尤其在納米光子學的應用中，每個(ge) 光子都非常重要。通過引導光子路徑（波陣麵工程），光子的收集效率大大提高，拉曼光譜和量子光學應用都會(hui) 從(cong) 中受益匪淺。舉(ju) 個(ge) 例子，引導光子路徑由能夠用來發送信號或者提高接收器的信噪比。
 
“另外，波長與(yu) 方向的相關(guan) 性對於(yu) 光學傳(chuan) 感器（如生物或化學領域）的小型化會(hui) 帶來巨大的好處。這些傳(chuan) 感器一般是基於(yu) 感測樣本光譜的變化工作的。通常的樣本有發散光，傳(chuan) 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。如果把定向光學天線置於(yu) 距離樣本非常近的位置，那麽(me) 頻譜信息就直接存在於(yu) 散射或者傳(chuan) 播的樣式中。這樣能夠簡化頻譜分析，結果就是儀(yi) 器價(jia) 格上越來越低，尺寸上越來越小。”弗雷倫(lun) 補充道。
 
在未來的科研中，科學家們(men) 計劃研究這種光學天線如何處理來自微小光源的光，例如量子點光源。此外，科學家們(men) 想探索如何利用這種光學天線來駕馭光。
 
“目前，這種矽天線是無源的，” 李佳琪說到。“這意味著，一旦製造出來，天線傳(chuan) 播每種顏色的光的方向是固定的。然而，我們(men) 可以給天線一個(ge) 激勵，通過調節它的光學屬性使它變為(wei) 有源天線。通過施加某種外部激勵，我們(men) 理論上能夠讓天線在指定方向上傳(chuan) 播指定顏色的光。”

4    結語
 

圖 5 用電子顯微鏡攝到的納米天線陣列

傳(chuan) 統天線收集大範圍內(nei) 的遠場能量並將它局限在小的區域，納米天線結合了傳(chuan) 統天線的特點 和 spp 共振增強效應，可以將光頻電磁波高效耦 合到亞(ya) 波長尺度，在很多領域有著廣泛的應用。
 
本文介紹了納米天線的結構、工作原理以及影響場 增強的因子，為(wei) 選擇合適材料和結構的納米天線 以獲得最大限度的場增強提供了理論基礎。隨著 科學技術向小尺度和低維空間的推進，納米加工 技術將不斷進步，而在其基礎上建立起來的一些 技術，如光刻技術、超衍射成像光譜技術等將為(wei) 新 一代的光電技術發展開創一個(ge) 嶄新的平台。