这项技术最终将使构建能够按需改变长度和方向的天线成为可能，为无线通信、雷达、卫星和太空探索开辟新的可能性。
“等离子体光束天线看起来像光剑，并且是可调谐的，这意味着我们应该能够跨越广泛的频率范围进行传输，”关于这项工作的期刊文章的通讯作者、北卡罗来纳州立大学博士生Prya Darshni说。“虽然我们还没有证明它作为接收无线电信号的天线的能力，但没有理由相信它不能作为接收器工作。”
“这是一个令人兴奋的新概念，它使人能够拥有定制的天线，而无需复杂的机械展开机制，”该论文的合著者、北卡罗来纳州立大学Cirrus Logic电气与计算机工程杰出教授Paul Franzon说。
为什么科学家想要由等离子体制成的天线
传统天线严重依赖其物理尺寸。特别是，天线的长度有助于决定它能有效发射或接收哪些无线电频率。改变长度可以使天线在不同频率下工作，但进行此类调整通常需要移动机械部件或复杂的工程设计。
在太空探索等应用中，这变得尤其具有挑战性，因为设备必须紧凑、轻便且可靠。
北卡罗来纳州立大学的研究人员想调查激光是否可以通过在周围空气中直接创建天线来提供更简单的解决方案。其想法不是物理伸展或缩回金属天线，而是调整激光以产生所需长度的等离子体光束。
“我们想通过这项工作探索的问题之一是，是否有可能使用激光创建等离子体天线，这将使我们能够生成所需长度的天线，”Darshni说。“而我们现在已经证明这是可能的。”
将激光束变成无线电天线
该方法始于让激光穿过空气。通过仔细控制激光的功率和光束直径，研究人员可以电离一片狭窄的空气区域，将电子从原子和分子中剥离以产生等离子体。
等离子体通常被描述为与固体、液体和气体并列的物质第四态。由于它包含带电粒子，它可以以普通空气无法做到的方式与电磁场相互作用。
在这个实验中，激光产生了一条被称为等离子体细丝的细而集中的等离子体通道。这根细丝成为了天线的基础。
然而，产生等离子体光束只是挑战的一部分。为了使其发射无线电波，该团队还需要一种方法，在不依赖传统物理连接的情况下将电信号传递给等离子体。
他们的解决方案是一个专门设计的非接触式天线馈源。
该系统使用一个金属环作为电容器，这是一种将电能存储在电场中的组件。激光穿过金属环的中心，产生一根延伸穿过电容器周围电磁场的等离子体细丝。
这种安排使研究人员能够在不物理接触等离子体的情况下将能量传递给它。
当射频发生器向电容器发送信号时，产生的电磁场与等离子体细丝相互作用。这种相互作用导致细丝以所提供的频率发射无线电波。
使用这种方法，研究人员成功演示了在甚高频（VHF）无线电频段内30兆赫兹（MHz）的无线电传输。
能够改变长度和方向的天线
该技术最有前途的特征之一是其潜在的灵活性。因为天线是由激光创建的，而不是由固定的金属结构构建的，所以可以通过改变激光的设置来调整其尺寸。
“通过控制激光的参数，你可以控制等离子体细丝的特性——包括它的长度，”Darshni说。“这对于需要天线扫描所有频率的应用来说很有价值。但还有另一个好处。
“在有些应用中，能够控制天线的角度也很重要，以便瞄准雷达扫描的方向或增强你想要接收的信号强度，”Darshni说。“我们在这里演示的技术将允许用户通过光束转向来控制等离子体细丝天线的角度——只需改变激光的方向。”
这种能力在需要跨越不同无线电频率进行通信或将信号导向特定位置的系统中可能很有价值。
传统天线可能需要机械装置来改变其方向。激光产生的等离子体天线可以通过引导激光束本身来完成类似的调整，从而减少对运动部件的需求。
尽管研究人员已经证明等离子体细丝可以发射无线电波，但其接收信号和在广泛频率范围内工作的能力仍需要测试。
在卫星和太空探索中的潜在应用
研究人员相信，这项技术最终可以用于多种目的，其中卫星和太空探索是最有前途的可能性。
航天器设计师对他们可以发射的设备的重量和尺寸面临严格的限制。传统天线系统也可能需要复杂的展开机制，特别是当大型结构必须在发射时折叠并在到达太空后展开时。
激光产生的天线可以提供一种不同的方法，有可能允许航天器在不携带相同类型机械结构的情况下创建和调整天线。
在不同无线电频率下工作的能力对航天器通信和科学仪器也可能很有用。
“在低地球轨道上，有足够的空气形成等离子体，”Franzon说。
虽然这表明了在地球周围的稀薄大气中的一种可能应用，但该技术仍处于早期实验阶段。将需要进一步的研究来确定激光产生的等离子体天线在真实太空条件下的运行效果。
首次成功演示为进一步研究打开了大门
目前，研究人员将他们的成就视为重要的概念验证。他们已经证明激光可以产生用作发射天线的等离子体细丝，为未来的改进奠定了基础。
“这是第一步，但却是一大步——这是有史以来第一次有人证明等离子体细丝天线可以工作，”Darshni说。“既然我们已经证明这是可能的，我们就可以开始提高其性能。”
这些发现发表在开放获取论文《发射30 MHz VHF的激光诱导等离子体细丝天线》（Laser-Induced-Plasma-Filament Antenna Transmitting 30 MHz VHF）中，该论文发表于《IEEE微波杂志》（IEEE Journal of Microwaves）。
德克萨斯农工大学（Texas A&M University）和普林斯顿大学的Arthur Dogariu是这项研究的合著者，并为实验测量做出了贡献。
研究团队还感谢了北卡罗来纳州立大学仪器车间的Chris Hewett、Byron Goode和Joe McElveen在制造实验所用组件方面展现出的独创性。