Können Funkantennen sichtbares Licht aussenden

Funkantennen können sichtbares Licht aussenden, aber wahrscheinlich nicht so, wie Sie denken. Wenn Sie genug Energie in eine Funkantenne pumpen, Sie können es durch den Prozess der Wärmestrahlung erhitzen, bis es glüht und sichtbares Licht aussendet. jedoch, Eine normale Radioantenne kann kein sichtbares Licht aussenden, das Informationen überträgt, ähnlich wie bei Radiowellen. Es gibt, jedoch, andere Geräte, die das können.

Wie Sie vielleicht gelernt haben, Elektromagnetische Wellen gibt es in vielen verschiedenen Frequenzen, aus dem Radio, Infrarot, sichtbar, und Ultraviolett bis hin zu Röntgen- und Gammastrahlen. Das von einem Leuchtstab ausgesendete rote Licht ist im Grunde dasselbe wie die von Ihrem WLAN-Router ausgesendete Funkwelle. Beides sind elektromagnetische Wellen. Das rote Licht hat lediglich eine viel höhere Frequenz als die Radiowelle (Die Frequenz ist ein Maß dafür, wie viele Zyklen die Welle pro Sekunde durchläuft). Weil sie grundsätzlich gleich sind, Sie könnten versucht sein zu dem Schluss zu kommen, dass Sie eine Radioantenne dazu bringen können, kontrolliertes sichtbares Licht auszusenden, indem Sie einfach die Frequenz des Schaltkreises erhöhen, der die Antenne antreibt. Auch wenn dies auf den ersten Blick Sinn macht, Die Realität der Materialeigenschaften von Antennen steht im Weg. Eine Radioantenne funktioniert, indem sie elektrische Schaltkreise verwendet, um Elektronen an der Antenne nach oben und unten zu schieben, Dadurch bewegen sich auch die elektrischen Felder der Elektronen auf und ab. Diese oszillierenden elektrischen Felder breiten sich dann als elektromagnetische Radiowellen aus. Die Frequenz der Radiowelle ist gleich der Frequenz, mit der Sie die Elektronen an der Antenne auf und ab bewegen.

Eine typische Funkantenne eines WLAN-Routers sendet Funkwellen mit einer Frequenz von aus 2.4 GHz (2.4 Milliarden Zyklen pro Sekunde), was einer Wellenlänge von entspricht 12.5 Zentimeter. Im Algemeinen, Eine Funkantenne sendet Wellen am effizientesten aus, wenn ihre Länge der Wellenlänge der Funkwelle entspricht, oder auf die Hälfte oder ein Viertel der Wellenlänge. Daher sollte es nicht überraschen, dass die Antennen Ihres WLAN-Routers defekt sind 12.5 Zentimeter lang. Im Gegensatz, Die Wellenlänge von blauem Licht beträgt ca 470 Nanometer. Um Ihnen eine Idee zu geben, Diese ist hundertmal kleiner als die kleinste Zelle Ihres Körpers. Blaues Licht hat eine Wellenlänge von ca 300,000 mal kleiner als die einer Wi-Fi-Funkwelle. Aufgrund dieses Größenunterschieds ist eine normal große Funkantenne einfach zu groß, um sichtbares Licht effizient auszusenden, auch wenn es uns gelang, die materiellen Probleme zu überwinden. Man könnte meinen, wir könnten einfach die Größe der Antenne verkleinern, um sie an die Wellenlänge des sichtbaren Lichts anzupassen, aber eine solche Antenne müsste ja nur sein 1000 Atome lang. Es ist schwierig, eine so kleine Antenne herzustellen, aber nicht unmöglich. Das aufstrebende Gebiet der plasmonischen Nanoantennen erfüllt genau diese Aufgabe, wie ich am Ende dieses Artikels besprechen werde. Auch wenn es Ihnen gelingt, eine so kleine Antenne herzustellen, Sie müssen noch einen elektronischen Schaltkreis bauen, der die Elektronen mit der richtigen Frequenz an der Antenne auf und ab treiben kann. Die Frequenz von blauem Licht beträgt ca 640 THz (640 Billionen Zyklen pro Sekunde). Elektronische Schaltkreise können nur elektrische Ströme antreiben, die bestenfalls im Bereich von mehreren Hundert GHz schwingen (Hunderte Milliarden Zyklen pro Sekunde). Wenn Sie versuchen, höher zu gehen, Die elektronischen Schaltkreise funktionieren nicht mehr, weil sich die Materialeigenschaften der Schaltkreiskomponenten ändern.

Selbst wenn es Ihnen gelungen wäre, eine Radioantenne zu bauen, die klein genug ist, um der Wellenlänge von blauem Licht zu entsprechen, und ein Gerät zu entwickeln, das Elektronen mit der Frequenz von blauem Licht antreiben kann, Es gibt immer noch ein großes Problem, das im Weg steht: die atomare Struktur des Antennenmaterials. Für Elektronenschwingungen großer Wellenlänge, Das Antennenmaterial sieht gleichmäßig aus und weist keinen nennenswerten Widerstand auf. Im Gegensatz, für nanoskalige Schwingungen, Es ist wahrscheinlicher, dass die Elektronen auf Atome stoßen und ihre Energie an die Atome verlieren, bevor sie ihre Energie als Licht abgeben können. Die geordnete Bewegung der Elektronen wird schnell in eine ungeordnete Bewegung der Atome umgewandelt. Makroskopisch, Wir sagen das, wenn die Frequenz zu hoch ist, Der größte Teil der elektrischen Energie wird in Abwärme umgewandelt, bevor sie als Licht emittiert werden kann.

Die drei Haupthindernisse sind daher: die geringe Größe, die für die Antenne benötigt wird, die Schwierigkeit, einen Weg zu finden, die Elektronen mit hoher Frequenz anzutreiben, und die Tendenz hochfrequenter Elektronen, ihre Energie durch Wärme zu verlieren. Mit drei verschiedenen Ansätzen können diese Hürden teilweise überwunden werden: (1) Sperren Sie die Elektronen in kleinen Mengen, lokalisierte atomare/molekulare Zustände, in denen sie nicht so oft auf Atome stoßen können und dann die Elektronenoszillationen antreiben, indem sie die Tatsache nutzen, dass sie beim Übergang zwischen Zuständen auf natürliche Weise oszillieren, (2) Schieße die Elektronen durch ein Vakuum mit hoher Geschwindigkeit an Magneten vorbei, und (3) Nanoskalig bauen, präzise geformte Antennen und treiben die Elektronenschwingungen durch einfallendes Licht an.

Die erste Methode entspricht genau der Funktionsweise eines herkömmlichen Lasers. Es werden Materialien ausgewählt, bei denen bestimmte Elektronen in nützlichen Zuständen fixiert sind. Die Elektronen werden in neue Zustände angeregt und dann dazu angeregt, in ihren ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Anstatt zwischen zwei Punkten im Raum hin und her zu oszillieren, Die Elektronen in einem herkömmlichen Laser oszillieren zwischen zwei atomaren/molekularen Zuständen hin und her. Diese andere Art des Wackelns ermöglicht eine hohe Schwingungsfrequenz und verhindert, dass die Elektronen gegen Atome stoßen, Dabei verlieren sie ihre Energie in Wärme. Das Problem der Kollision von Elektronen mit Atomen ist bei Lasern immer noch ein Problem (Wissenschaftler nennen diesen Effekt “Phononenemission”), aber es ist kein unüberwindbares Hindernis. Denn Laser sind kontrollierte Quellen sichtbaren Lichts, Sie können zum Senden von Informationen verwendet werden, ähnlich wie Radiowellen Informationen übertragen. Eigentlich, Glasfaserkabel enthalten informationstragende Lichtstrahlen, die durch Laser erzeugt wurden (Diese Fähigkeit hat auf Sie gewartet, Aus Effizienzgründen verwenden die meisten optischen Fasern Infrarotlicht anstelle von sichtbarem Licht). Laser können auch verwendet werden, um informationstragendes sichtbares Licht durch den freien Raum zu senden. Dieser Aufbau wird als optische drahtlose Kommunikation bezeichnet.

Die zweite Methode ist die Funktionsweise eines Freie-Elektronen-Lasers. In diesem Fall, Elektronen werden mit sehr hoher Geschwindigkeit durch ein Vakuum geschossen und dann werden eine Reihe von Magneten angebracht, um die Elektronen dazu zu bringen, mit hoher Frequenz hin und her zu wackeln, Dadurch wird sichtbares Licht emittiert. Ein Freie-Elektronen-Laser, der die Elektronen zum Wackeln zwingt 640 THz wird tatsächlich auf kontrollierte Weise blaues Licht emittieren. Denn Freie-Elektronen-Laser benötigen zum Funktionieren Vakuumkammern und Hochleistungs-Elektronenbeschleuniger, Freie-Elektronen-Laser werden hauptsächlich im Laborbereich eingesetzt.

Die dritte Methode ist die Funktionsweise plasmonischer Nanoantennen. Von allen Geräten, die kontrolliert sichtbares Licht aussenden, Plasmonische Nanoantennen kommen herkömmlichen Radioantennen am nächsten. Eine plasmonische Nanoantenne ist eine Nanoskala, präzise geformte Metallantenne, in der Plasmaresonanzen angeregt werden (gebündelte Elektronenschwingungen). Da plasmonische Nanoantennen wie herkömmliche Radioantennen auf Elektronen angewiesen sind, die zwischen einem Punkt im Raum und einem anderen hin- und herschwappen, Der Wärmeverlust ist immer noch ein großes Problem, wenn sie mit sichtbaren Lichtfrequenzen betrieben werden. Aus diesem Grund, Optische plasmonische Nanoantennen sind immer noch Kuriositäten im Labor und keine praktischen Quellen für kontrolliertes sichtbares Licht. Denn Laser werden immer günstiger, klein, und verlässlich, Es gibt keine wirkliche Motivation, plasmonische Nanoantennen zu entwickeln, um informationstragendes sichtbares Licht auszusenden. Außerdem, da elektronische Schaltkreise nicht mit optischen Frequenzen betrieben werden können, Plasmonische Nanoantennen können nicht durch den Anschluss an einen elektronischen Schaltkreis angeregt werden. Sie müssen durch Auftreffen von einfallendem Licht angeregt werden. Auf diese Weise, Plasmonische Nanoantennen sind überhaupt nicht mit herkömmlichen Antennen vergleichbar. Sie ähneln eher Streuobjekten.

Beachten Sie, dass es viele andere Möglichkeiten gibt, sichtbares Licht zu erzeugen; Feuer, Glühlampen, Leuchtstofflampen, Gasentladungsröhren, chemische Reaktionen; Aber keine dieser Methoden erzeugt auf kontrollierte Weise sichtbares Licht (d.h.. kohärentes sichtbares Licht) so dass viele Informationen auf den Lichtwellen übertragen werden können, ähnlich wie bei Radiowellen.

Kredit:https://wtamu.edu/~cbaird/sq/2015/10/02/can-radio-antennas-emit-visible-light/