通過改變頻率能使天線發出可見光嗎?

可見光與無線電波都屬於電磁波。


改變頻率這個腦洞不錯,相當理想化。

但是對於一個天線來說,有其工作頻率範圍(Operating Frequency Range),一般是增益大於某個值對應的的頻率範圍,例如對於如下頻率響應曲線的天線:

&>10dB的工作範圍大概是855~880MHz,你可以改變頻率,也就是升高輸入波的頻率,但是對於這個天線來說,在大於880MHz的工作頻率意味著輸入巨大的能量,產生的波的能量很小。

不同大小和形狀的天線有不同的頻率響應曲線。這和電磁波產生的原理有關:使用變化電流產生電磁波需要尺寸和波長大致相仿的電流。最簡單的原理是一個一維電流振子模型(如下圖),也是最簡單的天線形狀

金屬導體中的電流方向和大小發生變化產生了電磁波,天線長度等於半波長的時候產生效率最高。

實物看起來是這樣的:

所以,頻率越高,波長越短,產生波所需要的天線尺寸越小。

所以2.4GHz的wifi天線大小大概是這麼大:

而長波通訊(~100kHz)的天線單個單元需要這麼大

頻率低天線大,

可見光的頻率是kTHz級別(10^14~10^15Hz),波長可取500nm。

想要製作一個發出可見光電磁波的天線需要完成兩件事情:

(1)做一個500nm的天線,這個問題不大,10nm的CPU電路都有現成的,那500nm的天線至少目前沒有技術上的難題。

(2)激勵源,需要kTHz級別的交變電流做天線的輸入。這個不得了,目前的電路到不了那麼高的頻率,CPU主頻也就1~5GHz,kTHz比目前技術的CPU時鐘快百萬倍,超頻玩家都饞哭了。所以目前沒有能產生kTHz頻率交變電流的電路。

所以,理論上可行,目前技術不支持


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不要開嘲諷,實際上這真的是前沿研究

對於自動駕駛尤為重要,而且目前應該還沒有大規模搞定這個技術,

全自動駕駛概念,最近幾年十分火爆,但是目前只有三種感測器可用於道路感知。。

一個是攝像頭,一個是激光雷達,一個是毫米波雷達

攝像頭缺點是沒有景深,只能靠分析畫面猜是什麼東西,離車有多遠,多攝像頭猜的准,但本質上還是猜

雷達現在是毫米波,從軍用一脈相承,缺陷是對人體探測不佳,角度也比較成問題

激光雷達就是發出激光掃描東西,參見普羅米修斯等科幻片,但是現實中沒有大規模應用過,所以市售激光雷達比較落後,現在沒有擺脫運動部件,得靠個鏡子晃來晃去掃描,解析度跟可靠程度都低,而且巨貴,所以市售車輛現在應該還沒有上激光雷達的。

而高端的激光雷達,就是用相控陣天線產生激光,並調製相位,改變角度的,這個Quanerg 2016年展出過樣品

原理就是刻蝕幾百納米的天線陣列來發光,然後接收回波,給出掃描結果,掃描速度不受機械部件制約,是全固態的,也叫固態激光雷達,目前在業界是創業風口

誰能造出完美的適用於自動駕駛的固態激光雷達,必然能賺一票大的

目前這種雷達需要解決的問題是視角問題,信號接收處理問題,還有產生光功率不夠的問題,有幾十家初創在搞這個東西。

但是這個光一般會調製到人眼看不見的頻率,因為你不想被汽車光污染。。

但是算是回答了問題。

也就是你的想法是對的,而且有現實中的應用,不過暫時沒人做可見光波段的,東西是同一個東西


理論上可行,現有技術達不到。且未來很長一段時間,不太可能達到。

一旦該技術成為可能,將是具有劃時代意義的。

1、現有的光學探測器恰恰由於光波段的高頻率而無法捕捉相位,一旦該技術突破,探測器將有飛躍。

2、對於光學成像而言,由於探測器有了飛躍,現有的相位恢復技術和熒光超分辨技術將失去市場。無標記的超分辨技術躍然紙上,必定獲得諾貝爾物理獎。

3、對於光通信而言,長距離無線光通信將成為可能,帶寬將極大擴展,別說5g了,那得是100g的時代。

不再列舉了,幾乎所有的現有技術統統將被淘汰,這項技術必將載入人類史冊,各種之父頭銜、獎項拿到手軟。

怎麼樣,心動了嗎!洗洗睡吧


傳統電學激勵的方式應該比較困難。正如 @Pjer 說的,關鍵在於兩點:一則可見光波段的天線要非常小,基本只有幾百納米;二則電學的激勵源要速度很快。第一點還比較容易滿足,而第二點就太困難了。

但這種電學激勵其實只在大尺寸的器件中是主流,而在納米器件中則是以光學激勵或者發光材料近場激勵為主。這個對於做納米光學的人來說,應該是挺常見的了。比如下面這一篇2005年發表在Science雜誌上題為「Resonant Optical Antennas」的文章(鏈接:https://science.sciencemag.org/content/308/5728/1607),就是報導了一種光學激勵的方法。

幾百納米長的金屬棒就是在可見光波段的納米天線

除此之外,熒光分子的激勵方式也是很常見的。比如說這一篇2009年發表在Nature Photonics雜誌上題為「Large single-molecule fluorescence enhancements produced by a bowtie nanoantenna」的文章(鏈接:https://www.nature.com/articles/nphoton.2009.187)。

熒光分子在納米天線的周圍時,會通過近場的方式來耦合到一起。效果就是熒光分子的光可以通過納米天線被更有效地發射到遠場。

除了光學激勵和發光材料激勵以外,其實還有一種不太主流但是也很有趣的激勵方式,那就是電致隧穿激勵。比如說這一篇2015年發表在Nature Photonics雜誌上題為「Electrically driven optical antennas」的文章(鏈接:https://www.nature.com/articles/nphoton.2015.141)

通過加電壓的方式就能夠產生可見光,而這個可見光又能夠被納米天線所放大和更有效地發射到遠場

除了激勵方式的不同,納米天線的應用很多也是超出了傳統對天線的認知範圍。比如說,納米天線可以用來做超材料,也可以用來做感測器,甚至可以用來當光探測器,如此種種。所以說,納米天線已經不簡簡單單是把尺寸縮小,而是需要用一種新的視角來看待。就我個人來說,我覺得納米天線最有趣的一點是它能夠把近場效應和遠場效應結合到了一起,從而我們可以通過遠場來調控近場,也可以反過來。我最近的一些工作是基於此的。


當前,工程上不可能,發射電磁波波長越短,天線對於尺寸越短,先在指甲蓋大小的微帶天線都不能輻射出可見光,可以想像一下要把天線做的多小才能實現可見光頻段輻射,估計得拿顯微鏡才能能看見這種天線。

另外可以把燈泡比喻成一個可見光天線,但是實際上大多數燈泡發光都是電子能級躍遷發出光子的結果,而微波天線本身並不產生信號,只是負責最大功率的朝某個固定方向(探照燈)輻射出來自前級的信號,輻射處的高頻電磁波產生於振蕩器和信源混頻的結果,兩者機理完全不一樣。燈泡發光遠離更傾向於光的粒子性,天線如果要發光,應該是基於光的波動性。


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