肯尼思·克罗齐(Kenneth Crozier)与费德里克·卡巴索(Federico Capasso)发明了具有高聚光性能的光学天线,使一个DVD碟片可以容纳数百部电影。
过去几年,研制高容量DVD、高性能计算机芯片和更高分辨率光学显微镜的研究人员一直受到“衍射极限”的困扰。根据衍射极限的原理,一个用直射光束的镜头很难将光束聚焦成一个半径小于该光束波长的亮点上。由于这一技术瓶颈,激光技术的应用受到了限制。
物理学家已在实验室开发出了接近衍射极限的系统,但这些系统对于实际应用来说过于脆弱和复杂。最近,哈佛大学的电子工程师克罗齐和卡巴索等人发明了一种简单工艺,该工艺能将高聚焦光束的优点用于商业产品中。通过向商业用途的激光设备添加一种纳米级“光学天线”,克罗齐与卡巴索成功地将红外线汇聚到一个40纳米左右的点上,这个尺度仅为光波长度的1/20。这种光学天线可让DVD的容量达到3.6TB,存储能力比目前容量为4.7GB的DVD高750倍。
克罗齐和卡巴索先在激光器的发光端镀上一层绝缘物质,再涂上一层黄金,然后刮掉其中大部分,只留两个130×50纳米的长方形,中间间隔30纳米。这样就形成一个光学天线。当激光击中天线的长方形,天线就在两个长方形之间形成强电场,这个电场将光束集中到只有30纳米的点上(卡巴索称之为“避雷针效应”)。
卡巴索提到“:这种天线不会对激光器的设计有所要求”,因为它可以添加到现有的半导体激光器上,通常用于CD光驱。研究小组已经使用了多种激光来验证这种天线,每次都获得不同波长的光。目前,研究人员已经与美国戈登·希捷公司和日立环球存储科技公司讨论了该技术的应用问题。
斯坦福大学名誉教授戈登·奇诺(Gordon Kino)说,该技术还可用于光刻工艺。光刻工艺通常用于制造半导体芯片,但采用激光也受衍射极限的限制。而目前用于制造最小尺度芯片的电子束光刻工艺要求使用大型设备,其造价高达数百万美元,而且生产成本也比较高。而克罗齐和卡巴索的技术就简单得多了,所需的激光器造价不过50美元。
如果要把这种天线用于光刻工艺,则还需将其体积缩小。克罗齐与卡巴索的实验采用的是红外线,但光刻工艺使用的是波长更短的紫外线。要在微芯片中刻制电路,则需要制造出50纳米长的光学天线。
克罗齐和卡巴索发明的天线也许会对超高密光存储和超高分辨率显微镜等技术的突破产生深远的影响。