Entwicklung der Antennen
Geschichte der Antennen
Ende des 19. Jahrhunderts begannen Wissenschaftler mit ersten Experimenten an Antennen. Es dauerte mehrere Jahre, bis sie verstanden, wie das Design einer Antenne Eigenschaften wie die Richtwirkung der Emission und des Empfangs einer Antenne beeinflusst. In den 1920er Jahren entwickelten Yagi und Uda durch die Kombination einfacher Dipolantennen mit ihrer relativ breiten Richtwirkung und geringen Bandbreite die klassische Fernsehantenne mit ihrer starken Richtwirkung.
Das detaillierte Wissen über das Antennendesign und wie es die Bandbreite und das Emissionsmuster beeinflusst, führte zu enormen technologischen Fortschritten. Die weite Verbreitung von Radiosendern und -empfängern in den 1930er Jahren und der Erfolg des Fernsehens wären ohne Antennen nicht möglich gewesen. Antennendesign ist heutzutage eine Standarddisziplin in der Elektrotechnik und in unserem Leben unverzichtbar. Heutzutage werden Antennen für Mobiltelefone oder drahtlose Computernetzwerke optimiert und sind zu Eckpfeilern unserer modernen Informationsgesellschaft geworden.
Moderne Antennen
Der Hauptparameter einer Antenne ist ihre Größe. Um mit den elektromagnetischen Wellen resonant zu sein, sollte sie ungefähr die Größe der Wellenlänge haben. Die Tatsache, dass die Antenne in einem Mobiltelefon viel kleiner als eine Fernsehantenne auf dem Dach ist, ergibt sich aus der Verwendung kürzerer Wellenlängen. Der Vorteil kürzerer Wellenlängen und entsprechend höherer Trägerfrequenzen ist die Möglichkeit, mehr Informationen pro Zeit übertragen zu können.
Optische Antennen
Der technische Fortschritt der letzten Jahrzehnte ermöglichte es, immer kleinere Strukturen herzustellen. Mit der Entwicklung der Nanotechnologie ermöglichten verschiedene Methoden (z.B. chemisches Wachstum, fokussiertes Ionenstrahlfräsen (FIB) oder Elektronenstrahllithographie (e-beam)) die Herstellung von Antennen, die klein genug sind, um ihre Resonanzwellenlänge in den Teil des elektromagnetischen Spektrums zu verschieben, den wir normalerweise als Licht bezeichnen. Diese neuen Antennen werden heute oft als "optische Antennen" bezeichnet.
Andersartigkeit der Optischen Antennen
Optische Antennen scheinen sich jedoch grundlegend anders zu verhalten. Während bei normalen Antennen die Wellenlänge im Metall der Antenne der Wellenlänge der Strahlung im Vakuum entspricht, ist dies bei optischen Antennen nicht mehr der Fall. Wenn sich die Frequenzen dem optischen Bereich nähern, verhalten sich Metalle eben nicht mehr wie perfekte Leiter und das Verhältnis zwischen Frequenz und Wellenlänge weicht von der "Lichtlinie" ab. Wir treten in das plasmonische Regime ein.
Resonanzen optischer Antennen
Infolgedessen treten Resonanzen optischer Antennen nicht bei ungeradzahligen Vielfachen der Vakuumwellenlänge auf, sondern bei viel kürzeren Antennenlängen. Bei einfachen Dipolantennen erscheinen die Resonanzen bei ungefähr der Hälfte der Plasmonwellenlänge. Da die Plasmonwellenlänge ein Bruchteil der Vakuumwellenlänge ist, werden Antennen mit einer Größe von etwas mehr als 100 nm im Infrarotbereich (800 nm) lichtresonant.
Während die oben gezeigten Dipolantennen bei einer Infrarotwellenlänge von mehr als 800 nm stimuliert wurden, erscheint die Dipolresonanz bei 140 nm, was kürzer als λ/5 ist. Das Bild zeigt auch die Resonanzen höherer Ordnung, insbesondere ie 3/2 λ-Resonanz bei 520 nm, die 5/2 λ-Resonanz bei 890 nm und die 7/2 λ-Resonanz bei 1270 nm.
Emission optischer Antennen
Diese Fehlanpassung zwischen Plasmonwellenlänge und Vakuumwellenlänge hat einen grundlegenden Einfluss auf die Strahlungseigenschaften der Antennen. Der einfachste Fall, das Emissionsmuster von linearen Antennen, kann leicht durch mathematische Gleichungen modelliert werden.
Mit Hilfe eines mathematischen Modells der Antenneneigenschaften von Linearantennen können wir simulieren, wie sich die Emissions- und Empfangseigenschaften der Antenne verhalten, wenn eine Antenne immer plasmonischer wird. Während die normale Empfangscharakteristik bei einer 7/2 λ-Antenne oben und unten (grüne Linien) eine starke Keule aufweist, verschwindet sie, je plasmonischer die Antenne wird. Die plasmonische Antenne, die für die 7/2 λ-Anregung resonant ist (in diesem Fall ist λ die Plasmonwellenlänge), zeigt nur drei Emissionskeulen und ähnelt damit eher dem Emissionsmuster einer 3/2 λ-Antenne.
Experimentelle Untersuchung optischer Antennen
Optische Antennen empfangen
Leider sind optische Antennen zu klein, um ein Kabel an sie anzuschließen und die empfangene Strahlungsenergie direkt zu messen. Um die Resonanzen zu messen, kann man zu Beispiel ein Nahfeldmikroskop benutzen.
Bei einem aperturlosen optischen Nahfeldmikroskop wird die optische Antenne mit der scharfen Spitze eines Rasterkraftmikroskops abgerastert. Jedes Mal, wenn die Spitze in das optische Nahfeld um die Antenne eintritt, wird Licht in das Fernfeld gestreut und kann von einem optischen Mikroskop erfasst werden. Im Allgemeinen sind die Nahfelder umso stärker und die Intensität des gestreuten Lichts umso stärker, je stärker der Empfang der Antenne ist.
Vermessung komplexer optischer Antennen
In der Zwischenzeit hat die Forschung Fortschritte gemacht und Wissenschaftler können komplexere Antennenstrukturen bauen. Beispielsweise kann durch Elektronenstrahllithographie das plasmonische Äquivalent der Yagi-Uda-Antenne (bekannt als Richtantenne für den Fernsehempfang auf vielen Dächern) hergestellt werden.
Die Untersuchung dieser Yagi-Uda-Antenne mit der scharfen Spitze eines aperturlosen Nahfeldmikroskops hat gezeigt, dass sie genauso funktioniert wie eine Yagi-Uda-Antenne bei Radiofrequenzen.
Zuerst leuchten die beiden kürzeren Antennenelemente, die Direktoren. Kurz danach zeigt das Rezeptorelement die höchste Nahfeldintensität. Als letztes Element leuchtet der Reflektor auf. Die Phasendifferenz zwischen Direktoren und Reflektor beträgt fast 180°.