• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Nowe techniki dostrajania torują drogę dla rozwoju nanofotoniki

    21.04.2009. 15:11
    opublikowane przez: Maksymilian Gajda

    Badacze europejscy skorzystali z technologii dostrajania częstotliwości radiowych do opracowania nowej metody kontroli światła w nanoskali. Nowa metoda może znaleźć zastosowanie w pracach rozwojowych nad czułymi biosensorami do stosowania w diagnostyce lekarskiej lub w bardzo szybkich fotodetektorach opracowywanych na potrzeby przetwarzania informacji.

    "Rozszerzenie teorii obwodowej na częstotliwości widzialne i podczerwień usprawni projektowanie nowych urządzeń i czujników fotonicznych. Zapełni to lukę pomiędzy tymi dwiema dyscyplinami" - stwierdził Javier Aizpurua z Center of Material Physics oraz Donostia International Physics Center w Hiszpanii.

    Anteny to urządzenia, które przekazują lub odbierają fale elektromagnetyczne. Z kolei anteny optyczne mają za zadanie odbiór lub przekaz światła widzialnego lub podczerwieni. Mogą również skupiać światło na malutkich obszarach o wielkości jedynie kilku nanometrów (nanometr to jedna miliardowa metra).

    W badaniu, które zostało opublikowane w czasopiśmie Nature Photonics, naukowcy z Niemiec, Hiszpanii i USA zajmowali się tzw. antenami szczelinowymi. Składają się one z dwóch złotych prętów w nanoskali umieszczonych obok siebie w linii, oddzielonych drobną szczeliną. Anteny szczelinowe są niezwykle efektywne, ale ich działanie może być osłabione z powodu obecności molekuł lub półprzewodników w szczelinie.

    Z wcześniejszych prac wynikało, że zjawisko to, znane jako ładowanie szczeliny, można by wykorzystać do dostrajania odpowiedzi anten optycznych. Badacze przetestowali swoje koncepcje, umieszczając metalowe mostki różnych rozmiarów w poprzek szczeliny. Aby zobaczyć, jak mostki wpływają na działanie anten, użyli mikroskopu pola bliskiego.

    "Monitorując drgania w polu bliskim różnych anten za pomocą naszego nowego mikroskopu pola bliskiego, mogliśmy bezpośrednio wyobrazić sobie, jak materia wewnątrz szczeliny wpływa na odpowiedź anteny" - wyjaśnił Rainer Hillenbrand, lider grupy nanooptycznej w nowoutworzonym instytucie badawczym Nanogune w Hiszpanii. "Wynik może mieć ciekawe zastosowania w zakresie dostrajania anten optycznych".

    Ich eksperymenty potwierdziły teorię, iż ładowanie szczeliny można wykorzystać do skutecznej manipulacji i kontrolowania anten szczelinowych. "Ukierunkowane ładowanie anteny to doskonały sposób na opracowywanie złożonych konfiguracji antenowych w spójnych aplikacjach kontroli, nanooptyce dostosowawczej oraz metamateriałach" - piszą naukowcy.

    Podsumowując, stwierdzają: "Otwiera to drogę do projektowania wzorów pola bliskiego bez konieczności zmiany długości anteny, co może być bardzo przydatne dla rozwoju kompaktowych i zintegrowanych urządzeń nanofotonicznych".

    Źródło: CORDIS

    Więcej informacji znajduje się na stronie internetowej:

    Nature Photonics:
    http://www.nature.com/naturephotonics

    Elhuyar Fundazioa:
    http://www.elhuyar.org/

    Źródło danych: Elhuyar Fundazioa; Nature Photonics
    Referencje dokumentu: Schnell, M et al. (2009) Controlling the near-field oscillations of loaded plasmonic nanoantennas. Nature Photonics (w druku), opublikowano w Internecie 19 kwietnia. DOI: 10.1038/nphoton.2009.46.

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    W teorii fal radiowych, antenowy szyk fazowany jest matrycą (macierzą) anten, w których względne fazy odpowiednich sygnałów zasilających anteny różnią się od siebie w taki sposób, że skuteczna charakterystyka promieniowania szyku jest wzmocniona na pożądanym kierunku a wytłumiona na kierunkach niepożądanych. Centrum fazowe anten GPS - Pomiary GPS odnoszą się do centrów fazowych anten. Centrum mechaniczne (geometryczne) anteny znane jest z dokładnością submilimetrową. Centrum fazowe nie pokrywa się z centrum mechanicznym o wielkość od kilku mm do kilku cm. To przesunięcie może być wyznaczone i usunięte podczas opracowywania pomiarów. Większej staranności wymaga badanie stabilności centrum fazowego anteny. Niestabilność ta wynosi od kilku mm dla anten nowszych typów do kilku cm dla anten o niezbyt dobrych parametrach. Centrum fazowe jest to punkt będący źródłem promieniowania (skupia się w nim promieniowanie). Jeśli źródło promieniowania jest idealnie punktem, linie równych faz tworzą sferyczne warstwy o środku w danym punkcie. Badanie położenia centrum fazowego można wykonać "metodą stycznej kuli", polegającą na wyznaczeniu położenia środka krzywizny linii fazowych. Wszystkie niepunktowe źródła promieniowania wywołują niekuliste warstwy linii równych faz. Wówczas każdy odcinek łuku linii równych faz posiada swój środek krzywizny. Antena zatem nie posiada stałego środka fazowego, gdyż zależy on od kierunku podania sygnału. Centrum fazowe jest różne dla częstotliwości L1 i L2. Anteny ultrakrótkofalowe - rodzaj anten charakteryzujących się małą długością fal, co otwiera szerokie możliwości dostosowania, konstruowania ich jako anteny obrotowe i co daje z kolei możliwość wykorzystania ich własności kierunkowych.

    AN/BQQ-6 – zaawansowany pasywno-aktywny system sonarowy opracowany dla amerykańskich okrętów podwodnych typu Ohio, część zintegrowanego systemu zarządzania, kontroli, komunikacji oraz obrony okrętów w systemie rakietowym Trident. AN/BQQ-6 łączy w sobie pasywne elementy sonarów AN/BQQ-5 oraz AN/BQS-13, posiada tez wiele identycznych do zastosowanych w nich części. Podstawowym elementem sonaru jest zintegrowany cyfrowy system składający się ze sferycznej anteny złożonej z 944 elementów działających w zakresie częstotliwości 0,5 – 5 kHz, dwóch pasywnych anten bocznych zawierających 100 przetworników oraz sensorów anteny holowanej TB-23, a także odbiornik emisji wysokiej częstotliwości sonaru aktywnego i aktywny sonar krótkiego zasięgu. W trybie pasywnym AN/BQQ-6 jest systemem identycznym jak stosowany w okrętach typu 688 układ AN/BQQ-5. Wyposażenie dodatkowe BQQ-6 obejmuje urządzenia służące komunikacji podwodnej, badaniu otaczającego środowiska, zapisu magnetycznego oraz akustyczne urządzenia do użytku w sytuacjach awaryjnych. Pozostałe dane techniczne systemu są tajne. Zysk energetyczny anteny – jest to stosunek gęstości mocy wypromieniowanej przez antenę w danym kierunku U(Θ,φ) do gęstości mocy wypromieniowanej przez antenę wzorcową, najczęściej antenę izotropową, zakładając, że do obu anten została doprowadzona taka sama moc. W przeciwieństwie do zysku kierunkowego, który zależy jedynie od charakterystyki promieniowania anteny, uwzględnia również jej sprawność.

    Powierzchnia skuteczna anteny – jest to stosunek mocy wydzielonej w dopasowanym obciążeniu anteny do gęstości mocy pola elektromagnetycznego w miejscu umieszczenia anteny. Parametr ten charakteryzuje własności odbiorcze anteny. Antena dipolowa - to najstarsza, lecz wciąż najbardziej popularna antena. Słowo dipol pochodzi z języka greckiego i oznacza układ dwubiegunowy. Antena dipolowa składa się przeważnie z dwóch symetrycznych ramion zasilanych za pomocą symetrycznej linii transmisyjnej. Tego typu antena jest tzw. anteną symetryczną, ponieważ prądy płynące w obu ramionach anteny są równe co do amplitudy i mają przeciwne zwroty. Można spotkać również anteny dipolowe: o niesymetrycznych ramionach oraz anteny zasilane bocznikowo, optymalizowane, czy załamane. Anteny dipolowe ze względu na słabe parametry (wąskie pasmo pracy, mały zysk kierunkowy) występują rzadziej jako samodzielne, pojedyncze anteny, częściej stosuje się je jako elementy składowe bardziej skomplikowanych i rozbudowanych układów antenowych.

    Sodar (ang. sound detection and ranging) - instrument badający atmosferę za pomocą rozpraszania fal dźwiękowych na fluktuacjach powietrza (turbulencja atmosferyczna). Instrument służy do badania prędkości wiatru na różnych poziomach. Zwirowania w małej skali poruszają się ze średnim wiatrem i za pomocą analizy zmiany częstotliwości odbitego sygnału można określić prędkość wiatru od lub do anteny z detektorem ustawionych na ziemi (tzw. prędkość radialna). Za pomocą trzech anten (skierowanych w różnych kierunkach), można określić horyzontalną i pionową składową kierunku wiatru i jego prędkość. Sodar jest przykładem instrumentu teledetekcyjnego. Antena sektorowa - antena cechująca się szerokim kątem połowy mocy w płaszczyźnie głównej promieniowania (poziomej - H ang. horizontal) i wąskim kątem połowy mocy w płaszczyźnie prostopadłej (pionowej - V ang. vertical). W zależności od wartości kąta połowy mocy w płaszczyźnie głównej promieniowania anteny te dzieli się na anteny 45-, 60-, 90-, 120- oraz 180-stopniowe. Typowe wartości kąta połowy mocy w płaszczyźnie prostopadłej wynoszą dla tych anten od 4 do 10 stopni.

    Szyk antenowy to zespół promienników izotropowych takich, że prądy przez nie przepływające mają różne amplitudy i fazy. Są to promienniki częstotliwości i energii elektromagnetycznej. Szyki antenowe są rozwiązaniem problemu zdefiniowanego, jako ograniczenie działania pojedynczej anteny. Przykładem tego problemu jest np dipol. Pomimo, że antena dipolowa pozwala na lepszą kontrolę kierunkowości niż antena dookólna (izotropowa), to zwiększanie długości dipola zmniejsza kontrolę nad kierunkowością. Stąd możliwość kontrolowania kierunkowości anteny poprzez zmianę jej długości jest mocno ograniczona. Większą elastyczność oraz kontrolę można uzyskać przez kierowanie wiązki za pomocą określonego ułożenia wielu radiatorów.

    Deep Space Network (DSN) – nadawczo-odbiorcza globalna sieć dużych anten zarządzana przez Jet Propulsion Laboratory. Anteny te pozwalają na nawiązanie łączności pomiędzy Ziemią a flotą bezzałogowych sond kosmicznych eksplorujących Układ Słoneczny. Służą one także do radioastronomii. Jest to sieć przekaźników zlokalizowanych na terenie Hiszpanii, Kalifornii oraz Australii. Rozmieszczenie urządzeń właśnie w tych miejscach umożliwia niezakłóconą ruchem Ziemi komunikację z kosmicznymi pojazdami. DSN dzięki temu jest uznawana za najbardziej czuły system telekomunikacyjny na naszej planecie.

    Spektroskopia UV-VIS – rodzaj spektroskopii świetlnej, w którym wykorzystuje się promieniowanie elektromagnetyczne leżące w zakresie światła widzialnego ("VIS") oraz bliskiego ultrafioletu ("UV") i bliskiej podczerwieni (długość fali od 200 nm do 1100 nm). Urządzeniem służącym do badań za pomocą tej techniki jest spektrofotometr UV-VIS.

    Dodano: 21.04.2009. 15:11  


    Najnowsze