Могут ли радиоантенны излучать видимый свет?

Радиоантенны могут излучать видимый свет, но, вероятно, не так, как вы думаете. Если закачать достаточно энергии в радиоантенну, вы можете нагреть его до тех пор, пока он не начнет светиться и испускать видимый свет в процессе теплового излучения.. тем не мение, обычная радиоантенна не может излучать видимый свет, несущий информацию, аналогично тому, как это происходит с радиоволнами. Есть, тем не мение, другие устройства, которые могут это сделать.

Как вы, возможно, узнали, электромагнитные волны бывают разных частот, с радио, инфракрасный, видимый, от ультрафиолета до рентгеновских лучей и гамма-лучей. Красный свет, излучаемый светящейся палочкой, по своей сути аналогичен радиоволнам, излучаемым маршрутизатором Wi-Fi.. Оба являются электромагнитными волнами. Просто красный свет имеет гораздо более высокую частоту, чем радиоволны. (частота — это мера того, сколько циклов волна совершает каждую секунду.). Потому что они по сути одинаковы, у вас может возникнуть соблазн заключить, что вы можете заставить радиоантенну излучать контролируемый видимый свет, просто увеличив частоту цепи, которая управляет антенной.. Хотя это имеет смысл на первый взгляд, реальность свойств материалов антенн мешает. Радиоантенна работает за счет использования электрических цепей, которые толкают электроны вверх и вниз по антенне., заставляя электрические поля электронов двигаться вверх и вниз, а также. Эти колеблющиеся электрические поля затем распространяются в виде электромагнитных радиоволн.. Частота радиоволны равна частоте, с которой вы толкаете электроны вверх и вниз по антенне..

Типичная радиоантенна маршрутизатора Wi-Fi излучает радиоволны с частотой 2.4 ГГц (2.4 миллиард циклов в секунду), что соответствует длине волны 12.5 см. В общем, радиоантенна наиболее эффективно излучает волны, когда ее длина равна длине волны радиоволны, или до половины или четверти длины волны. Поэтому неудивительно, что антенны вашего Wi-Fi-маршрутизатора примерно 12.5 сантиметры в длину. По сравнению, длина волны синего света составляет около 470 нанометры. Чтобы дать вам представление, это в сто раз меньше самой маленькой клетки вашего тела. Синий свет имеет длину волны около 300,000 раз меньше, чем у радиоволны Wi-Fi. Радиоантенна обычного размера слишком велика, чтобы эффективно излучать видимый свет из-за несоответствия размеров., даже если бы нам удалось преодолеть материальные проблемы. Вы можете подумать, что мы могли бы просто уменьшить размер антенны, чтобы она соответствовала длине волны видимого света., но такая антенна должна быть только 1000 атомы длинные. Сделать такую ​​маленькую антенну сложно., но не невозможно. Развивающаяся область плазмонных наноантенн решает именно эту задачу., о чем я расскажу в конце этой статьи. Даже если вам удастся сделать такую ​​маленькую антенну, вам все еще нужно построить электронную схему, которая сможет управлять электронами вверх и вниз по антенне на нужной частоте.. Частота синего света составляет около 640 ТГц (640 триллион циклов в секунду). Электронные схемы могут управлять только электрическим током, частота колебаний которого в лучшем случае составляет сотни ГГц. (сотни миллиардов циклов в секунду). Если вы попытаетесь подняться выше, электронные схемы перестают работать, поскольку изменяются свойства материалов компонентов схемы..

Даже если вам удалось сделать радиоантенну, достаточно маленькую, чтобы соответствовать длине волны синего света, и удалось создать устройство, способное управлять электронами на частоте синего света., есть еще одна серьезная проблема, которая мешает: атомная структура материала антенны. Для широковолновых электронных колебаний, материал антенны выглядит однородным и не обладает значительным сопротивлением. По сравнению, для наноразмерных колебаний, электроны с большей вероятностью столкнутся с атомами и отдадут свою энергию атомам, прежде чем у них появится возможность излучать свою энергию в виде света.. Упорядоченное движение электронов быстро переходит в беспорядочное движение атомов.. Макроскопически, мы говорим, что когда частота слишком высока, большая часть электрической энергии преобразуется в отходящее тепло, прежде чем она сможет излучаться в виде света..

Таким образом, три основных препятствия: небольшой размер, необходимый для антенны, трудность найти способ управлять электронами на высокой частоте, и склонность высокочастотных электронов терять свою энергию при нагревании. Эти препятствия можно в некоторой степени преодолеть, используя три разных подхода.: (1) блокировать электроны в небольших, локализованные атомные/молекулярные состояния, в которых они не могут так часто сталкиваться с атомами, а затем управлять колебаниями электронов, используя тот факт, что они естественным образом колеблются при переходе между состояниями, (2) стрелять электронами через вакуум на высокой скорости мимо магнитов, а также (3) построить наномасштаб, антенны точной формы и управляют электронными колебаниями с помощью падающего света..

Первый метод аналогичен тому, как работает традиционный лазер.. Выбираются материалы, в которых определенные электроны заблокированы в полезных состояниях.. Электроны переводятся в новые состояния, а затем вынуждены вернуться в исходные состояния.. Вместо того, чтобы колебаться взад и вперед между двумя точками в пространстве., электроны в традиционном лазере колеблются взад и вперед между двумя атомными/молекулярными состояниями. Этот другой вид покачивания позволяет повысить частоту колебаний и помогает предотвратить столкновение электронов с атомами., тем самым теряя свою энергию на тепло. Проблема столкновения электронов с атомами до сих пор остается проблемой лазеров. (учёные называют этот эффект “фононная эмиссия”), но это не непреодолимое препятствие. Потому что лазеры являются управляемыми источниками видимого света., их можно использовать для отправки информации, аналогично тому, как радиоволны переносят информацию.. по факту, оптоволоконные кабели содержат световые лучи, несущие информацию, созданные лазерами. (хотя, большинство оптических волокон используют инфракрасный свет, а не видимый свет по соображениям эффективности.). Лазеры также можно использовать для передачи видимого света, несущего информацию, через свободное пространство.. Эта установка называется оптической беспроводной связью..

Второй метод — как работает лазер на свободных электронах.. В этом случае, Электроны пропускаются через вакуум на очень высокой скорости, а затем применяется серия магнитов, заставляющая электроны покачиваться взад и вперед с высокой частотой., тем самым излучая видимый свет. Лазер на свободных электронах, предназначенный для того, чтобы заставлять электроны покачиваться при 640 ТГц действительно будет излучать синий свет контролируемым образом.. Поскольку для работы лазеров на свободных электронах необходимы вакуумные камеры и мощные ускорители электронов., лазеры на свободных электронах используются в основном в лабораторных условиях..

Третий метод — как работают плазмонные наноантенны.. Из всех устройств, которые контролируемым образом излучают видимый свет, плазмонные наноантенны наиболее близки к традиционным радиоантеннам. Плазмонная наноаттенна представляет собой наноразмерную, Металлическая антенна точной формы, в которой возбуждаются плазменные резонансы (сгруппированные электронные колебания). Поскольку плазмонные наноантенны полагаются на электроны, которые перемещаются взад и вперед между одной точкой пространства и другой, как традиционные радиоантенны., тепловые потери по-прежнему остаются серьезной проблемой, когда они работают на частотах видимого света.. По этой причине, оптические плазмонные наноантенны до сих пор остаются лабораторной диковинкой и не являются практическими источниками управляемого видимого света.. Поскольку лазеры становятся все более дешевыми, небольшой, и надежный, на самом деле нет стимула для разработки плазмонных наноантенн для излучения видимого света, несущего информацию.. более того, поскольку электронные схемы не могут работать на оптических частотах, плазмонные наноантенны нельзя возбудить, подключив их к электронной схеме. Они должны быть взволнованы попаданием падающего света.. Таким образом, плазмонные наноантенны совсем не похожи на традиционные антенны. Они больше похожи на разбросанные предметы.

Обратите внимание, что существует множество других способов создания видимого света.; пожары, лампы накаливания, люминесцентные лампы, газоразрядные трубки, химические реакции; но ни один из этих способов не создает видимый свет контролируемым образом (то есть. когерентный видимый свет) так что много информации может быть перенесено на световых волнах, аналогично тому, как это делается с радиоволнами.

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