CN101359094A - 电磁波传播结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁波传播结构，其包括主体，该主体具有能够阻止该电磁波传播的表面，该主体包括入射端和在该波传播方向对着该入射端的出射端。该主体形成了两个波传播通路，这两个波传播通路互相之间分隔开的距离不大于该电磁波的波长。每个波传播通路均从该入射端延伸到该出射端，而且其内部尺寸不大于该电磁波的波长的一半。该电磁波传播结构适合使电磁波通过该波传播通路传播，以将它聚焦为其光斑尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑。
Description
技术领域
本发明涉及一种电磁波传播结构，更具体地说，本发明涉及一种超越衍射极限并提高引入了该电磁波传播结构的光学系统的分辨率和精度的电磁波传播结构。
背景技术
电磁波技术，特别是，光学技术，是在诸如医学检查、精确测量、半导体工业等的高技术行业中最广泛采用的基本技术之一。因此，寻找提高光学技术的分辨率和精度的方法正是学术界和工业界的努力目标。
光的特性受衍射极限的限制，衍射极限限制角散射(衍射角的正弦(sinθ))和光束宽度(2w)的乘积的最小值。当前，光学系统中对聚焦光斑可以实现的最高分辨率约为入射光束波长的0.61倍(1-D波长的一半)。通过超越该衍射极限，可以使光聚焦为其大小远小于该光的波长的光斑，从而提高光学系统的分辨率和精度。
当前，提高光学分辨率的方法有三种，它们是：减小该光束的波长、增大该光束通过其传播的光学介质的折射率以及采用利用最大光锥半角的光学透镜。这3种方法中，降低该光束的波长的方法产生最显著的效果，因此，也是最广泛采用的方法。例如，在半导体制造过程中采用的光蚀刻和光刻方法中，将曝光和显影使用的光束的波长缩短到紫外光的波长范围内。然而，该方法的问题在于，增加了进一步缩短波长以及相应制造技术的难度，而且增加了建立相应设施所需的成本，这些甚至成为相关技术领域进步的瓶颈。
因此，为了提高光学系统的分辨率和精度，如何超越限制各种光学应用的衍射极限成为要应对的挑战。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能够提高光学系统中的分辨率和精度的电磁波传播结构。
根据本发明的一个方面，提供了一种适合用于电磁波传播系统的电磁波传播结构。该电磁波传播系统包括波发射模块和波接收模块，具有某个波长的电磁波适合在波传播方向从该波发射模块传播。该电磁波传播结构包括：主体，其表面能够阻止该电磁波传播，而且它包括入射端和在该波传播方向对着该入射端的出射端。该主体形成了两个波传播通路，这两个波传播通路互相之间分离开的距离不大于该电磁波的波长。每个波传播通路从该入射端延伸到该出射端，而且其内部尺寸不大于该电磁波的波长的一半。该电磁波传播结构适合使电磁波通过该波传播通路从该波发射模块传播到该波接收模块，以将它聚焦为其光斑尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑。
本发明的另一个目的是提供一种适合产生超准直光束的电磁波传播结构。
根据本发明的另一个方面，提供了一种适合用于电磁波传播系统中的电磁波传播结构。该电磁波传播系统包括波发射模块，具有某个波长的电磁波适合在波传播方向从该波发射模块传播。该电磁波传播结构包括：主体，其表面能够阻止该电磁波传播，而且它包括入射端和在该波传播方向对着该入射端的出射端。该主体形成了两个波传播通路，这两个波传播通路互相之间分离开的距离不大于该电磁波的波长，每个波传播通路从该入射端延伸到该出射端，而且其内部尺寸不大于该电磁波的波长的一半。该主体在该波传播方向确定中轴。每个波传播通路分别在该主体的入射端具有入射口，在该主体的出射端具有出射口，而且具有在该入射口与出射口之间延伸的内部部分，该内部部分确定平行于该中轴的中心线，而且其内部尺寸不大于该出射口的内部尺寸。该波传播通路的内部部分相对于该中轴对称，每个波传播通路的出射口相对于相应的一个该波传播通路的中心线对称。在该出射端上，该主体进一步形成多个周期性布置的凹槽。每个凹槽的内部尺寸均不大于该电磁波的波长的一半。该凹槽中的相邻凹槽互相之间分离开的距离不大于该电磁波的波长。
至少设置每个凹槽的内部尺寸和深度以及该凹槽中相邻凹槽之间的距离之一，以使该电磁波传播结构适合使电磁波通过该波传播通路从该波发射模块传播，以在该中轴附近重叠并继续作为超准直光束传播。
附图说明
根据下面参考附图对优选实施例所做的详细描述，本发明的其他特征和优点显而易见，其中：
图1是根据本发明的电磁波传播结构的第一优选实施例的示意图；
图2是示出对第一优选实施例获得的z向磁场的模拟结果的磁场强度图；
图3是示出对第一优选实施例获得的y向电场的模拟结果的电场强度图；
图4是示出对第一优选实施例获得的y向极化电流的模拟结果的电流强度图；
图5是示出对第一优选实施例获得的x向极化电流的模拟结果的电流强度图；
图6是示出对第一优选实施例获得的z向磁场的另一个模拟结果的磁场强度图；
图7示出对第一优选实施例获得的时间平均x向电场能量分布的模拟结果；
图8示出对第一优选实施例获得的时间平均z向磁场能量分布的模拟结果；
图9示出对第一优选实施例获得的电场和磁场的x向坡印廷(Poynting)矢量的时间平均场能流的模拟结果；
图10示出对第一优选实施例获得的电场和磁场的y向坡印廷矢量的时间平均场能流的模拟结果；
图11是根据本发明的电磁波传播结构的第二优选实施例的示意图；
图12是示出对第二优选实施例获得的z向磁场的模拟结果的磁场强度图；
图13是根据本发明的电磁波传播结构的第三优选实施例的示意图；
图14是根据本发明的电磁波传播结构的第四优选实施例的示意图；
图15是根据本发明的电磁波传播结构的第五优选实施例的示意图；
图16是根据本发明的电磁波传播结构的第六优选实施例的示意图；
图17是根据本发明的电磁波传播结构的第七优选实施例的示意图；
图18是示出对第七优选实施例获得的z向磁场的模拟结果的磁场强度图；
图19是根据本发明的电磁波传播结构的第八优选实施例的示意图；
图20示出对第八优选实施例获得的时间平均x向电场能量分布的模拟结果；
图21是根据本发明的电磁波传播结构的第九优选实施例的示意图；
图22是根据本发明的电磁波传播结构的第十优选实施例的示意图；
图23是根据本发明的电磁波传播结构的第十一优选实施例的示意图；
图24是根据本发明的电磁波传播结构的第十二优选实施例的示意图；
图25是根据本发明的电磁波传播结构的第十三优选实施例的示意图；
图26是根据本发明的电磁波传播结构的第十四优选实施例的示意图；
图27是示出对第十四优选实施例获得的z向磁场的模拟结果的磁场强度图；
图28是根据本发明的电磁波传播结构的第十五优选实施例的示意图；
图29是根据本发明的电磁波传播结构的第十六优选实施例的示意图；
图30是根据本发明的电磁波传播结构的第十七优选实施例的示意图；
图31是根据本发明的电磁波传播结构的第十八优选实施例的示意图；
图32是根据本发明的电磁波传播结构的第十九优选实施例的示意图；
图33是根据本发明的电磁波传播结构的第二十优选实施例的示意图；
图34是示出对第二十优选实施例获得的z向磁场的模拟结果的磁场强度图；
图35是根据本发明的电磁波传播结构的第二十一优选实施例的示意图；
图36是根据本发明的电磁波传播结构的第二十二优选实施例的示意图；以及
图37是包括了本发明的电磁波传播结构的电磁波传播系统的方框图。
具体实施方式
在更详细说明本发明之前，应该注意，在本申请中，利用相同的附图标记表示相同的元件。
参考图1，采用根据本发明的电磁波传播结构的第一优选实施例使电磁波通过其传播。因为麦克斯韦等式的通用性，本发明的电磁波传播结构对包括可见光、非可见光等的各种波长和频率的电磁波可以通用。该电磁波传播结构包括：主体1，由两个波传播通路2形成，每次在该电磁波通过其传播时，都利用这两个波传播通路2改变电磁波的传播方向和能量分布。
主体1具有能够阻挡该电磁波传播的表面，而且在波传播方向(y)上，它包括入射端11和对着该入射端11的出射端12。
在该主体1上，分隔形成这两个波传播通路2。波传播通路2分别从入射端11延伸到出射端12，而且它们在入射端11具有入射口21，在出射端12具有出射口22；以及在该入射口21与出射口22之间延伸的内部部分23。每个波传播通路2的内部部分23的内部尺寸都不大于要通过其传播的电磁波波长(λ)的一半。此外，这两个波传播通路2之间的距离不大于要通过其传播的电磁波波长(λ)。在该电磁波通过这两个波传播通路2从主体1的入射端11传播到出射端12时，只要该电磁波存在两个波传播通路2，则在接近这两个波传播通路2的主体1的出口面积的位置或者附近，产生子波长天线效应和光弯曲效应，从而导致该电磁波的传播方向和能量分布发生变化。
在该实施例中，由提高电磁波透射的材料构成的通路面分别确定每个波传播通路2。波传播通路2的通路面优选是金属制造的。
通过利用时域有限差分方法(FDTD)进行模拟，验证该电磁波传播结构所获得的效果。利用德鲁德(Drude)极(是德鲁德(Drude)模型介质的代表)，采用辅助差分方程式方法，对主体1建模，该主体1由与电磁波强烈反应的诸如银膜或者其他材料的色散材料构成。此外，以模拟方式，计算相量极化电流。利用下面描述的模拟结果验证本发明的电磁波传播结构与要通过该电磁波传播结构传播的电磁波的特性之间的关系。此外，获得的聚焦光斑用于验证本发明的电磁波传播结构实现的效果。
除非另有说明，模拟系统是二维的，而且通过栅格系统表示该模拟系统，该栅格系统具有带有4nm单位格子长度的Yee空间点阵的600×600格子。利用索引(Ix，Iy)表示该栅格系统的每个格子，其中(Ix)和(Iy)分别对应于互相正交的第一方向(x)和波传播方向(y)中的格子位置。在此应该注意，在该公开中，还可以将该波传播方向(y)换称为第二方向(y)。(Ix)和(Iy)的值均在1至600的范围内。该模拟系统的原点位于索引(Ix，Iy)＝(300，360)。还利用对应于该栅格系统的实际尺寸的坐标系表示该模拟系统，该栅格系统的实际尺寸是2.4μm×2.4μm。该坐标系包括坐标(Cx，Cy)，其中(Cx)的值在-1.2至1.2的范围内，而(Cy)的值在-1.44至0.96的范围内，而且该原点位于坐标(Cx，Cy)＝(0，0)。在该模拟中，将主体1设置为在传播方向(y)上的厚度(t1)为240nm(即，在波传播方向(y)上，主体1的入射端11与出射端12之间的距离为240nm)。因此，在该栅格系统中，主体1的入射端11和出射端12分别位于(Iy＝390)和(Iy＝331)。每个波传播通路2的内部部分23的内部尺寸(w1)为80nm(即，第一方向(x)上的通路宽度为80nm)，而这两个波传播通路2之间在第一方向(x)上的距离(d1)为240nm。此外，在该栅格系统上，电磁波源位于(Iy＝590)，而该电磁波以减小的(Iy)值在第二方向(y)传播，而且其波长为633nm。分别在第一方向和同时与第一方向(x)和第二方向(y)正交的第三方向(z)，极化该电场和磁场，然后，将它们标准化为统一。为了将数值反射(numerical reflection)和错误降低到最小，将位于该坐标系的第二方向(y)上的非负值部分的模拟系统的第一方向(x)的两个边界设置为周期性的，而将所有其他边界设置为完全匹配层吸收边界条件(Perfectly Matched Layer AbsorbingBoundary Condictions)。将该时间标准化为该电磁波的周期，而且该模拟中的时间步长(dt)是0.004。
此外，在此还应该注意，参考示出该图的图纸，以其各自的一般意义解释本公开中参考附图使用的诸如“向下”、“向外”、“右侧”等的方向性术语。
参考图1和图2，在时间＝9.2时，在该电磁波通过这两个波传播通路2传播后，这两个波传播通路2上存在的、还被称为z向磁场(Hz)的第三方向(z)上的磁场在对应于主体1的中轴，即，对应于接近0的(Cx)，的中心部分重叠。参考图1和图3，在该中心部分，这两个波传播通路2上存在的、还被称为y向电场(Ey)的波传播方向(y)上的电场消失，而其能量被转换为z向磁场(Hz)和还被称为x向电场(Ey)的第一方向(x)上的电场。这种现象是子波长天线效应之一。
参考图1、图4和图5，主体1入射端11上的表面电流和电磁波的激发以及该电磁波与这两个波传播通路2的耦合产生表面等离子运动和表面等离子振子(plasmon)。同时，在分别通过波传播通路2传播时，该电磁波使对应于通路2之一的内部部分23所确定的表面极化，以致获得的极化电荷和电流以及该电磁波向下流向主体1的出射端12。因为子波长天线效应，流动的极化电荷和电流在第三方向(z)产生附加磁场，即，(Hz)。
参考图1和图6，在时间＝9.5时，向作为基准的主体1的出射端12的下方，使该z向磁场(Hz)聚焦，此时，该z向磁场(Hz)的幅值为0.757。参考图7和图8，利用该电磁波在时间＝9.5时以比该电磁波的波长的一半小的0.366λ的能量平均光斑大小(0.386λ的FWHM光斑大小)聚焦后的x向电场(Ex)和z向磁场(Hz)的时间平均能量分布，可以验证该电磁波继续以高强度向下传播。
参考图1、图9和图10，还可以利用该磁场和电场的坡印廷(Poynting)矢量(S1，S2)验证该电磁波的传播和聚焦。如图9所示，x向坡印廷矢量(S1)和场能量流向主体1的中心部分。Y向坡印廷矢量(S2)和场能量聚焦在主体1的出射端12的下面，之后，继续向下、向外传播，表示该电磁波是行电磁波。
应用了当前科技进步的本发明超越了传统的波理论，传统波理论认为光不能通过子波长隙缝传播。然而，正如上面对根据本发明的电磁波传播结构的第一实施例获得的模拟结果所验证的那样，激发金属面上的表面电荷运动或者电荷密度波提高了该电磁波的透射。此外，在创新的电磁波传播结构的波传播通路2内，利用子极限波函数使该电磁波聚焦为比该电磁波的波长的一半小的光斑。该波传播通路2上的波函数接近常数，而且在主体1的表面上显著降低。在此，应该注意，在衍射极限的传统理论中，没有研究限界在子极限规模内的空间本征值(即，波数)k＝0模的这种函数，因此，不落入相应范围内。
参考图11，根据本发明的电磁波传播结构的第二优选实施例与第一优选实施例的不同之处在于，第二优选实施例的主体1a在出射端12a进一步形成有至少一个凹槽13。凹槽13的内部尺寸不大于要通过该波传播通路2传播的电磁波的波长的一半，而且它与该波传播通路2的相邻之一分离开的距离不大于该电磁波的波长。此外，在通过第二优选实施例的波传播通路2传播的电磁波形成的聚焦光斑中出现“推移”、“挤压”或者“压缩”现象，以致再一次减小聚焦光斑的尺寸，而且在主体1a的出射端12a下面，该电磁波的传播方向和能量分布发生变化。在该实施例中，为了示例目的，主体1a形成有一个凹槽13。
对于第二优选实施例，执行与上述对第一优选实施例执行的模拟类似的模拟。在该模拟系统中，凹槽13在波传播方向(y)上具有凹槽深度(t2)，而在第一方向(x)上，具有凹槽宽度(w2)，它们均被设置为80nm。此外，在第一方向(x)上，波传播通路2的右侧之一与凹槽13之间的距离(d2)被设置为120nm。进一步参考图12，在时间＝9.5时，在验证该电磁波通过该波传播通路2传播时，在出射端12a的下面，z向磁场(Hz)被聚焦为光斑，该光斑的能量平均光斑大小为0.328λ(FWHM光斑大小为0.378λ)，而其幅值为0.791，而且该光斑小于该电磁波的波长的一半。此外，该光斑不对称，因为存在“推移”或者“压缩”现象。
如图13所示，根据本发明的电磁波传播结构的第三优选实施例与第二优选实施例的不同之处在于，第三优选实施例的主体1b在出射端12b进一步形成了两个凹槽13。相对于主体1b的中轴，对称布置该凹槽13，而且布置该凹槽13，以在其间插入波传播通路2。此外，该凹槽13用于挤压该聚焦光斑。
第三优选实施例可以实现与上面公开的效果相同的效果，在第三优选实施例中，将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑。
参考图14，根据本发明的电磁波传播结构的第四优选实施例与第三优选实施例的不同之处在于，第四优选实施例的主体1c在出射端12c进一步形成了多个凹槽13。周期性地互相分离布置该凹槽13，而且每个相邻凹槽13对之间的距离不大于该电磁波的波长。
第四优选实施例可以实现与上面公开的效果相同的效果，在第四优选实施例中，将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑。
同样，当该入射端11至少形成一个凹槽时，与该波传播通路2耦合并通过该波传播通路2传播后的电磁波的物理特性将发生变化。下面是例子。
如图15所示，根据本发明的电磁波传播结构的第五优选实施例与第一优选实施例的不同之处在于，第五优选实施例的主体1d在入射端11d进一步形成了多个周期性分离的凹槽13。每个凹槽13的内部尺寸都不大于该电磁波的波长的一半。此外，每对相邻凹槽13之间的距离不大于该电磁波的波长。在该实施例中，与波传播通路2d空间连通的方式，分别布置其中个凹槽13，以致位于入射端11d的每个波传播通路2d的入射口21d的内部尺寸都不小于位于入射口21d与出射口22之间的每个波传播通路2d的内部部分23的内部尺寸。
与上述实施例相同，第五优选实施例也可以实现将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑。
在此，应该注意，在此公开的优选实施例的电磁波传播结构也涉及使用介质材料。例如，如图16所示，根据本发明的电磁波传播结构的第五优选实施例与第一优选实施例的不同之处在于，包括透光介质层3，其布置在主体1的入射端11上用于支承主体1、用于产生波导效果以及改变要通过该电磁波传播结构传播的电磁波的传播特性。在该实施例中，该透光介质层3由玻璃构成。
通过模拟可以验证，第六优选实施例也可以实现将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑的效果。
如图17所示，根据本发明的电磁波传播结构的第七优选实施例与第一优选实施例的不同之处在于，每个波传播通路2e的出射口22e相对于相应的每个传播通路2e的内部部分23的中心线形状不对称。该效果是通过出射口22e从这两个波传播通路2e出来后，该电磁波发生弯曲，这样，当在主体1e的中轴附近保持能量分布基本不变时，该电磁波向下离开主体1e的出射端12e继续传播到主体1e的中轴，甚至被聚焦为光斑。
参考图18，在时间＝9.26时，在该电磁波通过第七优选实施例的两个波传播通路2e传播时，在执行与上面执行的模拟类似的模拟期间，z向磁场(Hz)被聚焦为其能量平均大小为0.341λ(或者FWHM斑大小为0.364λ)的光斑(幅值为1.30)，它小于该电磁波的波长的一半。
如图19所示，根据本发明的电磁波传播结构的第八优选实施例与第七优选实施例的不同之处在于，以在第一方向(x)互相直接空间连通的方式，布置这两个波传播通路2f的出射口22f。
参考图19和图20，根据x向电场(Ex)的时间平均能量分布可以验证，第八优选实施例也可以实现其尺寸小于该电磁波的波长的一半的聚焦光斑，而且在聚焦为该光斑之前，在通过出射口22f从这两个波传播通路2f出来后，该电磁波发生弯曲。此外，在传播到主体1f的中轴并被聚焦为该光斑后，该电磁波继续以高强度传播。
如图21所示，根据本发明的电磁波传播结构的第九优选实施例与第八优选实施例的不同之处在于，主体1g在出射端12g上进一步形成了凹槽13。凹槽13的内部尺寸不大于该电磁波的波长的一半。因此，在该聚焦光斑上发生“推移”或者“压缩”现象，以致再一次减小该聚焦光斑的大小，而且在该电磁波通过出射口22f从该波传播通路2f出来后，该电磁波的传播方向和能量分布发生变化。在该实施例中，为了示例目的，主体1g形成了一个凹槽13。
在与对上述实施例执行的模拟类似的模拟中，验证第九优选实施例可以实现将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑的效果。此外，与第二优选实施例相同，该光斑不对称，因为存在“推移”或者“压缩”现象。
如图22所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十优选实施例与第九优选实施例的不同之处在于，第十优选实施例的主体1h在出射端12h形成了其中两个凹槽13。相对于主体1h的中轴，对称布置该凹槽13，而且布置该凹槽13，以在其间插入波传播通路2f。此外，该凹槽13用于压缩该聚焦光斑。
通过模拟可以验证，第十优选实施例也可以实现将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑的效果。
如图23所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十一优选实施例与第八优选实施例的不同之处在于，第十一优选实施例的主体1i在出射端12i形成了多个凹槽13。周期性地互相分隔布置该凹槽13，而且每对相邻凹槽13对之间的距离不大于该电磁波的波长。
通过模拟可以验证，第十一优选实施例同样可以实现将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑的效果。
同样，当该入射端11至少形成一个凹槽时，与该波传播通路2耦合并通过该波传播通路2传播后的电磁波的物理特性将发生变化。下面是例子。
如图24所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十二优选实施例与第八优选实施例的不同之处在于，第十二优选实施例的主体1j在入射端11j进一步形成了多个周期性分隔的凹槽13。每个凹槽13的内部尺寸都不大于该电磁波的波长的一半。此外，每对相邻凹槽13之间的距离不大于该电磁波的波长。
在与对上述实施例执行的模拟类似的模拟中，验证第十二优选实施例可以实现将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑的效果。
在此，应该注意，在此公开的第七至第十二优选实施例的电磁波传播结构也涉及使用介质材料。例如，如图25所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十三优选实施例的与第八优选实施例的不同之处在于，包括透光介质层3，其布置在主体1f的入射端11上用于支承主体1f、产生波导效果以及改变要通过该电磁波传播结构传播的电磁波的传播特性的。在该实施例中，该透光介质层3由玻璃构成。通过模拟可以验证，第十三优选实施例也可以实现将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑。
如图26所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十四优选实施例与第一优选实施例的不同之处在于，从入射端11到出射端12，第十四优选实施例的波传播通路2p的中心线延伸到主体1p的中心线(即，从入射端11到出射端12，每条中心线与中轴之间的距离逐渐减小)。
对于第十四优选实施例，通过栅格系统表示该模拟系统，该栅格系统具有带有4nm单位格子长度的Yee空间点阵的600×600格子。在该模拟中，将主体1p设置为在波传播方向(y)上的厚度(t1p)为160nm(即，在波传播方向(y)上，主体1p的入射端11与出射端12之间的距离为160nm)。每个波传播通路2p的内部部分23的内部尺寸(w1)为80nm(即，第一方向(x)上的通路宽度为80nm)。在入射端11上，这两个波传播通路2p之间在第一方向(x)上的距离(d1p)为240nm，而在出射端12上，这两个波传播通路2p之间在第一方向(x)上的距离(d1p’)为200nm。其他模拟参数与上面对第一优选实施例公开的参数相同。
参考图26和图27，在时间＝9.18时，在该电磁波通过这两个波传播通路2p传播后，z向磁场(Hz)被聚焦为其能量平均大小为0.376λ(或者FWHM光斑大小为0.418λ)的光斑(幅值为1.159)，它小于该电磁波的波长的一半。
如图28所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十五优选实施例与第十四优选实施例的不同之处在于，第十五优选实施例的主体1q在出射端12q进一步形成至少一个凹槽13。该凹槽13的内部尺寸不大于通过该波传播通路2p传播的电磁波的波长的一半，而且它与该波传播通路2的相邻之一分离开的距离不大于该电磁波的波长。此外，在通过第十五优选实施例的波传播通路2p传播的电磁波形成的聚焦光斑上发生“推移”、“挤压”或者“压缩”现象，以致再一次减小该聚焦光斑的尺寸，而且在主体1q的出射端12q下面，该电磁波的传播方向和能量分布发生变化。在该实施例中，为了示例目的，主体1q形成有一个凹槽13。
通过模拟可以验证，第十五优选实施例也可以实现将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑的效果。此外，该光斑不对称，因为存在“挤压”或者“压缩”现象。
如图29所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十六优选实施例与第十四优选实施例的不同之处在于，第十六优选实施例的主体1r在出射端12r进一步形成其中两个凹槽13。相对于主体1r的中轴，对称布置凹槽13，而且布置该凹槽13，以在其间插入波传播通路2p。此外，该凹槽13用于挤压该聚焦光斑。
通过模拟可以验证，第十六优选实施例可以实现与上面描述的效果相同的效果，在第十六优选实施例中，将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑。
如图30所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十七优选实施例与第十四优选实施例的不同之处在于，第十七优选实施例的主体1s在出射端12s进一步形成多个凹槽13。周期性地互相分隔布置凹槽13，而且每对相邻凹槽13之间的距离不大于该电磁波的波长。
通过模拟可以验证，第十七优选实施例可以实现与上面描述的效果相同的效果，在第十七优选实施例中，将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑。
同样，当该入射端至少形成一个凹槽时，与该波传播通路耦合并通过该波传播通路传播后的电磁波的物理特性将发生变化。下面是例子。
如图31所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十八优选实施例与第十四优选实施例的不同之处在于，第十八优选实施例的主体1t在入射端11t进一步形成了多个周期性分隔的凹槽13。每个凹槽13的内部尺寸都不大于该电磁波的波长的一半。此外，每对相邻凹槽13之间的距离不大于该电磁波的波长。在该实施例中，与波传播通路2t空间连通的方式，分别布置其中两个凹槽13，以致位于入射端11t的每个波传播通路2t的入射口21t的内部尺寸都不小于位于入射口21t与出射口22t之间的每个波传播通路2t的内部部分23的内部尺寸。
通过模拟可以验证，与上述实施例相同，第十八优选实施例也可以实现将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑的效果。
在此，应该注意，第十四至第十八优选实施例的电磁波传播结构也涉及使用介质材料。例如，如图32所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十九优选实施例与第十四优选实施例的不同之处在于，包括透光介质层3，其布置在主体1p的入射端11上用于支承主体1p、产生波导效果以及改变要通过该电磁波传播结构传播的电磁波的传播特性。在该实施例中，该透光介质层3由玻璃构成。
通过模拟可以验证，第十九优选实施例也可以实现将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑的效果。
如图33所示，根据本发明的电磁波传播结构的第二十优选实施例与第一优选实施例的不同之处在于，第二十优选实施例的主体1u在出射端12u上进一步形成多个周期性分隔的凹槽13。每个凹槽13的内部尺寸都不大于该电磁波的波长的一半。此外，每对相邻凹槽13之间的距离不大于该电磁波的波长。在该实施例中，与波传播通路2u空间连通的方式，分别布置其中两个凹槽13，以致每个波传播通路2u的出射口22u的内部尺寸都不小于相应的每个波传播通路2u的内部部分23u的内部尺寸。此外，每个波传播通路2u的内部部分23u的中心线平行于主体1u的中轴。在第一方向(x)，中心线与主体1u的中轴等距。此外，每个波传播通路2u的出射口22u相对于该波传播通路2u的相应之一的内部部分23u的中心线对称。设置每个凹槽13的内部尺寸和深度以及该凹槽13中的相邻凹槽之间的距离至少之一，以致该电磁波通过这两个波传播通路2u传播后，从这两个波传播通路2u出来的场在主体1u的中轴附近被叠加，而且继续沿该中轴传播，而且在该传播过程中，能量分布基本保持不变。换句话说，形成超准直光束，其发散角非常接近0。
同样，利用时域有限差分方法(FDTD)，对第二十优选实施例进行模拟。对于第二十优选实施例，该模拟系统具有带有4nm单位格子长度的Yee空间点阵的600×600格子。原点位于索引(Ix，Iy)＝(1500，2500)。该电磁波的波长为633nm。主体1u的厚度(t1u)为240nm(即，主体1u的入射端11和出射端12u分别位于(Iy＝2520)和(Iy＝2461))。每个波传播通路2u的宽度(w1u)分别为40nm，而这两个波传播通路2u之间的距离(d1u)为440nm。每个凹槽13的深度(t2u)为80nm，宽度(w2u)为240nm。此外，每对相邻凹槽13之间的距离(d3u)为240nm。此外，在该栅格系统上，电磁波源位于(Iy＝2900)，而该电磁波以减小的(Iy)值在第二方向(y)传播。分别在第一方向(x)和第三方向(z)极化该电场和磁场，然后，将它们标准化为统一。为了将数值反射(numerical reflection)和错误降低到最小，围绕主体1u的中心，位于该主体1u的上半部分的模拟系统的第一方向(x)的两个边界是周期性的，而将所有其他边界设置为完全匹配层吸收边界条件(Perfectly Matched Layer AbsorbingBoundary Condictions)。将该时间标准化为通过波传播通路2u传播的电磁波的周期，而且该模拟中的时间步长(dt)是0.004。
参考图34，在时间＝30.0时，在该电磁波通过这两个波传播通路2u传播后，对于比该电磁波的波长大10倍的距离，在具有基本固定幅值的情况下，z向磁场(Hz)离开主体1u的出射端12u继续作为超准直光束向下传播。
如图35所示，根据本发明的电磁波传播结构的第二十一优选实施例与第二十优选实施例的不同之处在于，主体1v的入射端11v和出射端12u都形成了凹槽13，以致每个波传播通路2v的入射口21v和出射口22u的内部尺寸都不小于相应的波传播通路2v之一的内部部分23u的内部尺寸。在该实施例中，在第一方向(x)，相对于主体1v的纵轴，对称布置入射端11v上的凹槽13和出射端12u上的凹槽13。
通过模拟可以验证，利用波传播通路2v，通过主体1v传播后，在具有基本固定幅值的情况下，该电磁波离开主体1v的出射端12u继续作为超准直光束向下传播。此外，该电磁波通过第二十一优选实施例的波传播通路2v传播后的强度大于通过第二十优选实施例的波传播通路2u传播后的强度。
在此，应该注意，第二十和第二十一优选实施例的电磁波传播结构也涉及使用介质材料。例如，如图36所示，根据本发明的电磁波传播结构的第二十二优选实施例进一步包括透光介质层3，其布置在主体1u的入射端11上用于支承主体1u、产生波导效果以及改变要通过该电磁波传播结构传播的电磁波的传播特性。在该实施例中，该透光介质层3由玻璃构成。
通过模拟可以验证，第二十二优选实施例可以与第二十优选实施例实现相同的效果，在第二十二优选实施例中，该电磁波经过波传播通路2u，通过主体1u传播后，在保持固定幅值的同时，该电磁波离开主体1u的出射端12u继续作为超准直光束向下传播。
在此，应该注意，每个波传播通路2的入射口21、出射口22以及内部部分23的尺寸都是用于控制通过波传播通路2传播的电磁波的发散角和衍射特性的因数。此外，在电磁波通过包括本发明的电磁波传播结构的系统传播期间，构成主体1的材料以及存在介质层3也影响该电磁波的强度变化。因此，可以根据特定应用的要求，调节和确定所有这些因数，以实现最期望的效果。
参考图37，本发明的电磁波传播结构适合应用于包括波发射模块和波接收模块的电磁波传播系统，具有某个波长的电磁波适合在波传播方向从该波发射模块传播。在第一至第十九优选实施例的电磁波传播结构设置在波发射模块与波接收模块之间时，经过波传播通路通过电磁波传播结构从波发射模块传播到波接收模块的电磁波被聚焦为其光斑尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑。另一方面，在第二十至第二十二优选实施例的电磁波传播结构设置在波发射模块与波接收模块之间时，经过波传播通路通过电磁波传播结构从波发射模块传播的电磁波继续作为超准直光束向波接收模块传播。
本技术领域内的技术人员明白，可以将第一至第十九优选实施例的电磁波传播结构与波发射模块集成在一起形成光斑发生器，用于将电磁波聚焦为其光斑尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑。同样，可以将第二十至第二十二优选实施例的电磁波传播结构与波发射模块集成在一起，以形成光束发生器，用于由电磁波产生超准直光束。
从上面的描述和模拟结果可以看出，根据本发明的电磁波传播结构适合各种应用，例如，光学、半导体以及生物技术行业。本发明在光刻处理中的应用可以产生更精细、更精密的点、线和电路。此外，本发明提高了光学系统的分辨率和精度，将光学系统与电路连接在一起，在生物医学成像业，本发明可以应用于子波长高分辨率显微镜；本发明可以应用于更精确检测；改变并控制生物、化学以及物理系统的结构、特征和动力学；在光存储业，本发明产生并读取更小的光记录点；本发明将光挤压为其尺寸小于该光的波长的光路；等等。本发明提供的超准直光束适合要求电磁波束在传播期间没有发散的应用。此外，本发明还可以使电磁波被聚焦后显著发散，因此，适合例如在发光二极管中要求扩大视角的应用。减小和增大子波长光场可以应用于光学计算和控制。此外，各种波长电磁波的选择性可以应用于滤波。
总之，利用时域有限差分(FDTD)方法可以验证，本发明成功建立了一种电磁波传播结构，该电磁波传播结构适合在电磁波通过其传播后产生高强度子波长聚焦光斑，而且它具有可以使该电磁波超越衍射极限以减小该聚焦光斑尺寸的出射结构，从而有效提高包括了本发明的电磁波传播结构的光学系统的分辨率和精度。
尽管结合最切实的优选实施例描述了本发明，但是应该明白，本发明并不局限于所公开的实施例，应该认为，它包括落入最广泛解释的实质范围内的各种布置，从而包括所有这些修改和等效布置。
Claims (26)
1.一种适合用在包括波发射模块和波接收模块的电磁波传播系统中的电磁波传播结构，具有波长的电磁波由该波发射模块适合在波传播方向传播，所述电磁波传播结构包括：
主体，其具有能够阻止该电磁波传播的表面，而且它包括入射端和在该波传播方向相对所述入射端的出射端，所述主体形成有两个波传播通路，这两个波传播通路互相之间分隔一段距离，该距离不大于该电磁波的波长，每个所述波传播通路从所述入射端延伸到所述出射端，和具有不大于该电磁波波长一半的内部尺寸；以及
其中，所述电磁波传播结构适合使电磁波通过所述波传播通路从该波发射模块向该波接收模块传播，以将它聚焦为光斑，该光斑的光斑尺寸小于该电磁波波长一半。
2.根据权利要求1所述的电磁波传播结构，其中，所述主体在该波传播方向限定中轴，每个所述波传播通路在所述主体的所述入射端具有入射口，在所述主体的所述出射端具有出射口，和在所述入射口与出射口之间延伸的内部部分，该内部部分限定平行于该中轴的中心线，而且其内部尺寸不大于所述入射口的内部尺寸，每个所述波传播通路的所述出射口不相对于相应的所述波传播通路之一的中心线对称。
3.根据权利要求2所述的电磁波传播结构，其中，在该中心线附近，每个所述波传播通路的所述出射口具有第一半部分和第二半部分，所述第一半部分靠近所述主体的中轴，所述第二半部分远离该中轴，所述第一半部分的尺寸大于所述第二半部分的尺寸。
4.根据权利要求2所述的电磁波传播结构，其中，所述波传播通路的所述出射口互相直接空间连通。
5.根据权利要求1所述的电磁波传播结构，其中，所述主体在该波传播方向确定中轴，每个所述波传播通路确定从所述入射端向所述出射端，向该中轴延伸到的中心线。
6.根据权利要求1所述的电磁波传播结构，其中，在所述出射端，所述主体进一步形成有至少一个凹槽，该凹槽的内部尺寸不大于该电磁波波长的一半，而且它与所述波传播通路之一分隔开的距离不大于该电磁波的波长。
7.根据权利要求1所述的电磁波传播结构，其中，在所述出射端，所述主体进一步形成有多个凹槽，每个所述凹槽的内部尺寸均不大于该电磁波波长的一半，所述凹槽中相邻凹槽互相分隔开的距离不大于该电磁波的波长。
8.根据权利要求1所述的电磁波传播结构，其中，在所述入射端，所述主体进一步形成有至少一个凹槽，该凹槽的内部尺寸不大于该电磁波的波长的一半。
9.根据权利要求1所述的电磁波传播结构，其中，在所述入射端，所述主体进一步形成有多个凹槽，每个所述凹槽的内部尺寸均不大于该电磁波波长的一半，所述凹槽中相邻凹槽互相分隔开的距离不大于该电磁波的波长。
10.根据权利要求1所述的电磁波传播结构，进一步包括布置在所述主体的所述入射端上的透光介质层。
11.根据权利要求1所述的电磁波传播结构，其中，由提高该电磁波透射的材料构成的通路面确定每个所述波传播通路。
12.根据权利要求11所述的电磁波传播结构，其中，所述波传播通路的所述通路面是金属制造的。
13.一种适合用在包括波发射模块的电磁波传播系统中的电磁波传播结构，具有波长的电磁波从该波发射模块适合在波传播方向传播，所述电磁波传播结构包括：
主体，其具有能够阻止该电磁波传播的表面，而且它包括入射端和在该波传播方向相对所述入射端的出射端，所述主体形成有两个波传播通路，这两个波传播通路互相之间分隔开的距离不大于该电磁波的波长，每个所述波传播通路从所述入射端向所述出射端延伸，而且其内部尺寸不大于该电磁波波长的一半；以及
其中，所述主体在该波传播方向确定中轴，每个所述波传播通路在所述主体的所述入射端具有入射口，在所述主体的所述出射端具有出射口，和在所述入射口与出射口之间延伸的内部部分，该内部部分确定平行于该中轴的中心线，而且其内部尺寸不大于所述出射口的内部尺寸，所述波传播通路的所述内部部分相对于该中轴对称，每个所述波传播通路的所述出射口相对于相应的所述波传播通路之一的中心线对称；
其中，在所述出射端上，所述主体进一步形成有多个周期性布置的凹槽，每个所述凹槽的内部尺寸均不大于该电磁波的波长的一半，所述凹槽中相邻凹槽互相之间分隔开的距离不大于该电磁波的波长；以及
其中，设置每个所述凹槽的内部尺寸和深度以及所述凹槽中相邻凹槽之间的距离中至少之一，这样所述电磁波传播结构适合使电磁波通过所述波传播通路从该波发射模块传播，以在该中轴附近叠加并继续作为超准直光束传播。
14.一种用于在波接收模块将以波传播方向从波发射模块传播的电磁波聚焦为光斑的方法，该方法包括步骤：
在该波发射模块与该波接收模块之间设置电磁波传播结构，该电磁波传播结构包括：主体，其具有能够阻止该电磁波传播的表面，而且它包括入射端和在该波传播方向相对该入射端的出射端，该主体形成有两个波传播通路，这两个波传播通路互相之间分隔开的距离不大于该电磁波的波长，每个波传播通路从该入射端向该出射端延伸，而且其内部尺寸不大于该电磁波波长的一半；以及
其中，经过该波传播通路，通过该电磁波传播结构从该波发射模块向该波接收模块传播的电磁波被聚焦为光斑，该光斑的光斑尺寸小于该电磁波波长一半。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，该电磁波传播结构的主体在该波传播方向确定中轴，每个波传播通路在该主体的入射端具有入射口，在该主体的出射端具有出射口，和在该入射口与出射口之间延伸的内部部分，该内部部分确定平行于该中轴的中心线，而且其内部尺寸不大于该入射口的内部尺寸，每个波传播通路的出射口不相对于相应的该波传播通路之一的中心线对称。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，在该中心线附近，每个波传播通路的出射口分别具有第一半部分和第二半部分，该第一半部分靠近该主体的中轴，该第二半部分远离该中轴，该第一半部分的尺寸大于该第二半部分的尺寸。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，该波传播通路的出射口互相直接空间连通。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，该电磁波传播结构的主体在该波传播方向确定中轴，每个波传播通路确定从该入射端到该向出射端，向着该中轴延伸的中心线。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，在该出射端，该电磁波传播结构的主体进一步形成有至少一个凹槽，该凹槽的内部尺寸不大于该电磁波波长的一半，而且它与该波传播通路之一分隔开的距离不大于该电磁波的波长。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，在该出射端，该电磁波传播结构的主体进一步形成有多个凹槽，每个凹槽的内部尺寸均不大于该电磁波波长的一半，该凹槽中相邻凹槽互相分隔开的距离不大于该电磁波的波长。
21.根据权利要求14所述的方法，其中，在该入射端，该电磁波传播结构的主体进一步形成有至少一个凹槽，该凹槽的内部尺寸不大于该电磁波波长的一半。
22.根据权利要求14所述的方法，其中，在该入射端，该电磁波传播结构的主体进一步形成有多个凹槽，每个凹槽的内部尺寸均不大于该电磁波波长的一半，该凹槽中相邻凹槽互相分隔开的距离不大于该电磁波的波长。
23.根据权利要求14所述的方法，其中，该电磁波传播结构进一步包括布置在该主体的入射端上的透光介质层。
24.一种用于由在波传播方向从波发射模块传播的电磁波产生准直光束的方法，所述方法包括步骤：
提供电磁波传播结构，该电磁波传播结构包括：主体，其包括能够阻止该电磁波传播的表面，而且它包括入射端和在该波传播方向相对该入射端的出射端，该主体形成有两个波传播通路，这两个波传播通路互相之间分隔开的距离不大于该电磁波的波长，每个波传播通路从该入射端延伸到该出射端，而且其内部尺寸不大于该电磁波波长的一半；以及
其中，该主体在该波传播方向确定中轴，每个波传播通路在该主体的入射端具有入射口，在该主体的出射端具有出射口，和在该入射口与出射口之间延伸的内部部分，该内部部分确定平行于该中轴的中心线，而且其内部尺寸不大于该入射口的内部尺寸，该波传播通路的内部部分相对于该中轴对称，每个波传播通路的出射口相对于相应的该波传播通路之一的中心线对称；以及
其中，在该出射端，该主体进一步形成有多个周期性布置的凹槽，每个凹槽的内部尺寸均不大于该电磁波波长的一半，该凹槽中相邻凹槽互相分隔开的距离不大于该电磁波的波长；以及
其中，设置每个凹槽的内部尺寸和深度以及该凹槽中相邻凹槽之间的距离中至少之一，这样该电磁波传播结构使电磁波通过该波传播通路从该波发射模块传播，以在该中轴附近叠加并继续作为超准直光束传播。
25.一种光斑发生器，包括：
波发射模块，具有波长的电磁波适合由此在波传播方向传播；以及
电磁波传播结构，包括：主体，其具有能够阻止该电磁波传播的表面，而且它包括入射端和在该波传播方向相对所述入射端的出射端，所述主体形成有两个波传播通路，这两个波传播通路互相之间分隔开的距离不大于该电磁波的波长，每个所述波传播通路从所述入射端延伸到所述出射端，而且其内部尺寸不大于该电磁波波长的一半；以及
其中，所述电磁波传播结构使电磁波通过所述波传播通路从所述波发射模块传播，以将它聚焦为光斑，该光斑的光斑尺寸小于该电磁波波长的一半。
26.一种光束发生器，包括：
波发射模块，具有波长的电磁波适合由此在波传播方向传播；以及
电磁波传播结构，包括：主体，其具有能够阻止该电磁波传播的表面，而且它包括入射端和在该波传播方向相对所述入射端的出射端，所述主体形成有两个波传播通路，这两个波传播通路互相之间分隔开的距离不大于该电磁波的波长，每个所述波传播通路从所述入射端延伸到所述出射端，而且其内部尺寸不大于该电磁波波长的一半；以及
其中，所述电磁波传播结构的所述主体在该波传播方向确定中轴，每个所述波传播通路在所述主体的所述入射端具有入射口，在所述主体的所述出射端具有出射口，和在所述入射口与出射口之间延伸的内部部分，该内部部分确定平行于该中轴的中心线，而且其内部尺寸小于所述出射口的内部尺寸，所述波传播通路的所述内部部分相对于该中轴对称，每个所述波传播通路的所述出射口相对于相应的所述波传播通路之一的中心线对称；
其中，在所述出射端，所述电磁波传播结构的所述主体进一步形成有多个周期性布置的凹槽，每个所述凹槽的内部尺寸均不大于该电磁波波长的一半，所述凹槽中相邻凹槽互相分隔开的距离不大于该电磁波的波长；以及
其中，设置每个所述凹槽的内部尺寸和深度以及所述凹槽中相邻凹槽之间的距离中至少之一，这样所述电磁波传播结构使该电磁波通过所述波传播通路从所述波发射模块传播，以在所述中轴附近叠加并继续作为超准直光束传播。
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