CN109313353A - 用于从入射电磁波在近区中形成场强图案的器件 - Google Patents

Abstract

本公开关注一种器件(132)，用于从入射在所述器件上的传播电磁波在近区形成场强分布。器件包括：至少一个电介质材料层(112)，具有第一折射率n₁，其表面具有至少一个水平的突然变化，以形成台阶；元件，具有低于所述第一折射率n₁的第二折射率n₂，元件与所述台阶接触；以及其中所述台阶生成与所述电磁波的传播方向相比倾斜的束，并且所述束具有在至10λ₁之间的长度；λ₁是在所述电介质材料中的所述电磁波的波长。

Description

用于从入射电磁波在近区中形成场强图案的器件

技术领域

本公开一般涉及用于从可见光中的电磁波形成场强图案的技术。更具体地但非排他地，本公开涉及用于在近区中的近场聚焦和束形成的技术。通过近区，在此并且在整个文件中，是指围绕根据本公开的器件的区域，其尺寸可以从主介质中的一部分波长延伸到大约十个波长。

背景技术

电磁波的聚焦和准直(即束形成(当然也可以是散焦))是局部增加电场的大小的既定方式，并且以这样的方式提高传感器的效率，例如，电光传感器，其工作原理依赖于将以电磁波形式在空间中传播的能量转换成输出电压或电流。后一种传感器(例如CMOS成像传感器或光电二极管)是几乎所有便携式电子设备的核心，从智能手机和平板电脑到专业光场相机。局部场增强的相同现象用于不同波长范围的各种其他应用中。

在光学领域中，当今技术水平使得能够制造具有纳米级尺寸的结构元件的高度集成的部件(例如，芯片和光学传感器)，纳米级尺寸接近或甚至小于可见光的波长。与现有技术相比，以相同精度水平操纵光的可能性将是一个巨大的突破。

然而，传统聚焦器件(诸如，电介质和金属-电介质透镜)的空间分辨率受到阿贝衍射极限的限制，并且典型在主介质中不超过一个波长。同时，有许多应用，其要求或可以从子波长分辨率中受益，如A.Heifetez等人在“Photonic nanojets”，J.Comput.Theo.Nanosci,，卷6，页1979-1992，2009年，中解释。这解释了对使得子波长分辨率成为可能的聚焦部件越来越感兴趣。

与当今移动和可穿戴技术相关联的另一个关键挑战在于需要进一步小型化相关联设备。传统透镜的操作原理防止其尺寸减小超过一定限度(～10个波长)，这构成了该领域未来发展的瓶颈。特别是，这样的约束可能关注光检测器的封装密度，并因此可能妨碍图像分辨率的进一步改善。

最后，传统透镜的操作原理要求透镜和主介质材料之间的一定的折射率比率。折射率比率越高，可以实现的透镜聚焦能力越高。因此，在大多数情况下，透镜被气隙分开，这要求额外的空间并且在空间和对准中导致透镜固定的某些困难。完全集成的系统可以帮助避免这些问题。然而，由于技术难度和光学透明材料的折射率变化的有限范围(光学范围内的典型率值n<2)，具有不同折射率的几种电介质材料的组合相当困难并且不总是可行的。

因此，需要新的聚焦部件，这将克服这些缺点。

然而，目前，最流行的聚焦元件保持很久以前引入的凸透镜，如图1A所示。只要透镜具有足够的孔径尺寸并且其轮廓形状相对于透镜材料和主介质的折射率适当地限定，则这样的透镜可以有效地将光聚焦在位于距离透镜表面一定距离FL的紧密焦斑FS中。折射电介质透镜的操作原理基于斯涅尔定律，其预测由于两种介质中的不同相速度，而在透镜的空气-电介质边界处的光线的倾斜(折射)。为了使得期望聚焦功能成为可能，透镜必须在主介质中具有至少几个波长的孔径，典型物理尺寸从微透镜情况下的几微米变化到相机物镜情况下的几厘米。它们的分辨率受到阿贝衍射极限的限制，并且典型大于主介质中的一个波长。

还存在菲涅耳型衍射透镜，其操作原理依赖于由多个同心环衍射的波的干涉，如图1B图示。如果与图1A的折射透镜相比，这样的透镜具有较小的厚度，但是，它们通常遭受强的色差。它们的分辨率受衍射极限的限制，如折射透镜。

如上所述，远场聚焦系统(例如，折射和衍射透镜)的空间分辨率受到由～□/2nsin□设定的阿贝衍射极限的限制，其中□是真空波长，n是主介质折射率，并且α是透镜的半孔径角(通过远场聚焦系统，这里指的是在大于几个波长的距离处，即在远区中创建焦斑FS的系统)。因此，可以通过增加透镜孔径尺寸或通过减小聚焦距离FL来实现更高的分辨率。后者解释了人们对近场聚焦系统的兴趣日益浓厚，近场聚焦系统在近区创建焦斑FS。越来越多的跨越不同领域的应用也强烈支持该兴趣，其要求具有最高可能分辨率的近场光处理，诸如例如在显微镜学、光谱学或计量学中。

目前，有几种基于子波长孔径探针(L.Novotny等人，“Near-field opticalmicroscopy and spectroscopy with pointed probes”，Annu.Rev.Phys.Chem.，卷57，页303-331，2006年)、平面子波长图案化结构(美国专利文献8,003,965)和光子纳米喷射微球电介质透镜的可用近场聚焦技术。后一种技术方案(即纳米喷射微球)，例如专利文献US 7,394,535中描述并且在图1C中图示，经常被称为最有效的解决方案，因为微球可以同时提供子波长分辨率和高水平的场强增强(FIE)。如图1C所示，它们允许生成纳米喷射束NB。该光子纳米喷射是在电介质微球的阴影侧表面处诱发的光强度图案。专利文献US2013/0308127也描述纳米喷射器件，其允许通过使用微球将冲击辐射限制在光子纳米喷射中来增强样品的拉曼发射，并由此增加撞击样品的辐射强度。通过结合辐射的色散和波长配置微球的直径和折射率可以改善增强的量以增加光子纳米喷射中的辐射的束的强度。

尽管它们的吸引人的性能特征，微球的使用与其(i)精确定位，(ii)与其他光学部件的集成，以及(iii)与已建立的平面制造技术的不兼容性相关的某些困难相关联。这些困难影响可行性并增加基于纳米喷射的器件的制造和组装成本。潜在地，可以使用纳米级图案化结构或中空管来解决组装问题，但是这些解决方案可能与某些应用不兼容。

最近基于固体电介质长方体(SDC)提出了纳米喷射微球透镜的替代解决方案。如V.Pacheco-Pena等人在“Terajets produced by dielectric cuboids”，AppliedPhys.Lett.卷105,084102,2014年中证明并且如图1D图示，当被平面波照射时，SDC透镜也可以产生会聚束TB，类似于观察到的具有子波长尺寸的微球的纳米喷射束，只要长方体的尺寸和形状相对于入射波长和长方体材料的折射率适当调整。对于在主介质中具有约一个波长的尺寸和折射率比率n₂/n₁～1.5(其中n₁和n₂分别是主介质和长方体材料的折射率)的SDC，实现最佳空间分辨率(～□/2，其中□□是主介质中的波长)和场强增强(因子～10)。

虽然SDC透镜的矩形形状对于某些平面制造方法(例如微机械加工或光刻)是有利的，但是由于以下限制，在光学范围内操作的SDC透镜的制造可能是困难的甚至是不可能的：

-对长方体的大小和形状施加的严格要求，

-缺少具有所需折射率的材料(在光学范围内，可以用作主介质的普通光学玻璃和塑料的折射率，从n₁≈1.3至2.0变化，而根据V.Pacheco-Pena等人，长方体透镜折射率的期望值应该是n₂～2.25(建议的比率n₁/n₂＝1.5，对于标准玻璃，n₁≈1.5)，其超出标准光学材料的范围。

-没有提供用于设置这样的透镜在空间中的位置的解决方案。

最后，值得一提的是光学范围内可用的近场增强的另一种替代解决方案。该解决方案基于称为表面等离子极化激元(SPP)的现象。SPP现象使得能够创建具有非常高场强的子波长热斑。特别地，基于SPP的部件可应用于颜色过滤和显示技术，如Y.Gu等在“Plasmonic structures color generation via subwavelength plasmonicnanostructures”中，J.Nanoscale，卷7，页6409-6419，2015年中描述。然而，SPP场与金属紧密耦合并以指数方式远离表面衰减，这阻止SPP器件用于要求“远程通信”或远场束形成的光学系统。此外，SPP只能在包括以下的特定条件下被激发：

-金属的某些材料特性(即，相对电介质常数的负实部，仅对可见光谱中的某些贵金属是固有的)，

-入射场中的垂直E场分量，

-使用SPP发射器(例如电介质棱镜或光栅)。

这些约束并不总是可接受的。

因此，所有现有技术的聚焦方法和部件都受到某些限制，并且不完全满足当今和未来的微和纳米技术的需要。所有(或至少一些)可用聚焦器件固有的一些限制与以下相关联：

-部件的物理尺寸，

-有限的空间分辨率，

-有限的电介质材料选择(有限的折射率变化范围)，

-一些制造/集成困难，

-与其操作原理相联系的器件性能特征的某些限制(例如色差和/或偏振敏感响应)。

因此，期望提供一种用于从电磁波在近区中形成场强图案并且显著用于在近区生成辐射的会聚低色散束的新技术，其将不呈现这些缺点中的至少一些。

发明内容

在一个方面，公开了用于从入射到器件上的电磁波在近区中形成场强分布的器件。这样的器件包括至少一层电介质材料；所述至少一层电介质材料的表面具有至少一个形成台阶的等级的突然变化，并且所述表面的相对于所述台阶的至少下部和侧部与具有折射率低于所述电介质材料的折射率的物质/元素接触。

因此，本公开提供新一代部件，其使得借助于纯电介质微结构在近区中形成期望的场强度分布。这样的器件可以显著用于聚焦电磁波，并且用于从入射在器件上的平面电磁波在近区中生成会聚的低色散束(所谓的纳米喷射)(显著地，但不排他地，从电介质层的底部，其表面可以是均匀的)。当以反向模式使用时，它们也可以用于校正由电磁辐射的源或者由位于靠近电介质层(其表面具有等级突然变化)的顶部的另一个束形成元件生成的电磁波的非平面波前。特别地，这样的校正可以包括将非平面波前(典型地用于束和球面波)变换为局部平面波前或束，或另一个成形波前。

换句话说，当在光学波长下使用时，这样的器件可以在近区中产生至少一个会聚光束(即，纳米喷射束)，由此在成像平面中创建至少一个高强度焦斑，其被限定在器件的近区中。使用这样的器件当然不限于这样的波长。

如将在本公开的以下部分中更详细地描述，这样的光斑具有典型为圆形或多或少地伸长的椭圆形的形状。这里，光斑的形状由围绕具有等于对应热斑中的最大强度的一半的场强度的面积的轮廓线的形状限定。如果台阶的多于一个凹段有助于形成单个光斑，则光斑也可具有更复杂的形状。当以半功率定义时，它们的最小大小在直径上大约是波长的一半，其接近阿贝衍射极限。

当形成若干光斑的图案时，光斑之间的间距应该是至少一个波长，否则两个光斑可以合并以形成复杂形状的共同热斑。

与这样的光斑相关联的场强增强(与在相同主介质中传播的平面波相比)从两倍(对于具有直边界的台阶)变化到十倍，或甚至对于更复杂形状的台阶变化到二十倍。

表面中等级的突然变化引起入射电磁波的折射率的阶变，其到达电介质层中台阶附近的器件。这样的折射率的阶变产生复杂电磁现象，其将涉及前述公开中的附图更详细地描述。这样的复杂的电磁现象(涉及相对于台阶在边缘的下部的入射波的衍射，与在台阶的侧部上的衍射波的折射耦合)使得产生会聚束，并且由此取决于台阶的特征并且取决于电介质材料和覆盖其下和侧表面的物质之间的折射率的差异，成像平面中的不同场图案位于近区中。可以通过穿过紧挨着台阶的电介质材料层的入射波和折射波之间的干涉现象来增强纳米喷射束的出现。

与台阶的下表面和侧表面接触的物质/元素可以简单地是空气、另一种气体、真空、液体或折射率低于电介质材料的任何其他材料。也必须注意，台阶的侧部不一定是垂直的，并且可以相对于电介质层表面的法线示出角度。而且，它可能不一定是直线段。

对电介质层的底表面没有限制，其可以是平面或不是平面。电介质层可以特别是柔性的。

因此，根据本公开的实施例的这样的器件使得在近区中生成(多个)低色散束。可以通过适当地选择台阶的边缘线长度和曲率以及其基部角来控制这样的功能，如将在阅读以下时变得更加明显。

根据本公开的实施例，所述台阶由在所述至少一层电介质材料中制成的至少一个腔的边缘形成。

因此，与电介质材料层中的单个台阶相比，腔的所有边缘可以有助于在近区生成场强分布，尤其产生(即，导致)至少一个会聚的辐射束。依赖于腔横截面的形状，能够通过组合腔的贡献来产生不同的场图案。

根据另一实施例，所述至少一个腔是所述至少一层电介质材料中的通孔。因此，(多个)腔的高度对应于电介质层的厚度。在腔不是通孔的情况下，其高度因此小于电介质层的厚度；它可以位于相对于电介质层的顶表面和底表面的任何位置。各个腔不需要完全相同。

根据另一实施例，所述至少一个腔属于至少一组的至少两个腔。

各个腔可以布置成腔的阵列，或者形成特殊图案的非规则布置，以在近区中生成特定聚焦束，或者束的阵列，这对于某些应用可能是有意义的，如光学传感器。可以使用两个或更多个更紧密定位的腔的阵列，以提供对更大面积中的场分布的控制和/或增加某些选择点处的场强。而且，腔的阵列可以是平面的(所有腔的所有基面都放置在同一平面内)或不是，并且可以由相同的腔制成或不是。

根据又一个实施例，所述至少一个腔的目标是柱形或锥形。

通过柱形腔，这里是指并且贯穿本文，腔的形状是通用柱体，即通过沿着与曲线的平面相交的轴线投射闭合的二维曲线而创建的表面。换句话说，这样的柱体不限于正圆形柱体，而是覆盖任何类型的柱体，显著地但不限于，例如长方体或棱柱体。腔也可以具有锥体的形式。其主轴可以与腔底部的表面垂直，或者是倾斜的。由于制造公差，腔也可能具有不完美的形状，并且必须理解，例如，目标为成形为柱体的腔可以在制造过程中变成具有S形横截面的锥形腔。

更一般地，这样的腔被形成为具有任意横截面的柱体或锥体，其可以被适配(优化)以产生期望的近场图案，即在xy平面中的期望的场强度分布(典型正交于入射波传播方向)。该图案可以具有一个或多个具有相同(或不同)场强度水平的热斑。

非对称腔也是可能的。例如，其横截面在xy平面中为三角形的腔将创建三个光斑。如果相应的面是凹的，则可以增强它们之一，如将结合附图更详细地解释。

根据一个实施例，所述台阶或所述腔的高度H目标为使得其中λ₁是所述电介质材料中的所述电磁波的波长。实际上，对于在主介质(电介质材料)中从大约一半到几个波长变化的腔高度，纳米喷射现象非常明显。需要最小高度来形成局部平面波前，这将导致纳米喷射束。

此外，纳米喷射束出现在腔的底部。在大多数应用中，希望具有延伸超出腔高度的束，腔的高度应小于生成的纳米喷射束的长度，通常约为2至5(在某些情况下为10甚至更多)个波长。

根据一个实施例，这样的器件也包括至少一个层，以形成邻接所述电介质材料层的基板。

这样的基板可以有助于器件的机械刚性。

根据另一实施例，这样的器件也包括形成覆板的至少一个层，所述至少一层电介质材料位于所述基板和所述覆板之间。

因此，该器件可以采用平面光学透明元件的形式，包括两个玻璃或塑料板(即，基板和覆板)，在它们之间嵌入具有空隙或填充的中空微腔的电介质材料。覆板当然可以是非平面的，并且例如遵循基板的形状。实际上，当由正交于基部入射的平面波照射时由器件生成的场强分布的图案仅依赖于腔基部角(或台阶角)、腔横截面形状和电介质材料和填充腔(或相对于台阶覆盖表面的下部)的物质之间的折射率比率。

必须注意的是，对于平面波的倾斜入射，束的辐射将改变，取决于大小、基部角和腔边缘线的曲率，对于大约+/-30°的入射角，束的形状保持良好。

根据一个实施例，基板和覆板由与所述至少一层电介质材料相同的电介质材料制成。

根据一个实施例，所述电介质材料属于包括以下的组：

-玻璃；

-塑料；

-聚合物材料，例如PMMA(聚(甲基丙烯酸甲酯))或PDMS(聚二甲基硅氧烷)。

必须注意的是，空气不被认为是根据本发明的器件的候选电介质材料。

因此，这样的器件可以使用易于找到并且便宜的标准电介质材料制造。

根据一个实施例，所述覆板的材料属于包括以下的组：

-玻璃；

-塑料；

-聚合物材料。

在本公开的另一个实施例中，提出一种器件，用于从入射在所述器件上的传播电磁波在近区形成场强分布。该器件卓越在于包括：

至少一层电介质材料，具有第一折射率n₁，其表面具有至少一个等级的突然变化，以形成台阶；

元件，具有低于所述第一折射率n₁的第二折射率n₂，该元件与所述台阶接触；以及

其中所述台阶生成与所述电磁波的传播方向相比倾斜的束，并且所述束具有在至10λ₁之间的长度，λ₁是在所述电介质材料中的所述电磁波的波长。

根据一个实施例，这样的倾斜束与辐射的角度相关联，辐射的角度被定义为所述第一折射率n₁和/或所述第二折射率n₂和/或与所述台阶相比较所述入射电磁波的入射角和/或台阶角度的函数。

根据一个实施例，这样的辐射的角度约为值(90°-asin(n₂/n₁))/2，所述第一折射率包括在范围[1.3；1.4]和[1.5；1.8]之一内，并且所述第二折射率等于1，并且其中，所述入射电磁波是法向入射电磁波。

因此，根据本公开的这样的实施例，通过相应地选择折射率值，能够获得给定/预期的辐射的角度(对于由所述台阶生成的束)，辐射的角度可以是小的或高的。因此，在本公开的一个实施例中，与现有技术解决方案相比，提出的技术提供了更好的灵活性(就偏差而言)。

根据一个实施例，辐射的角度约为值其中θ_B90°等于(90°-asin(n₂/n₁))/2，并且α是包括在70°至120°之内的台阶基部角。

因此，根据本公开的这样的实施例，通过相应地选择台阶角的值，能够获得给定/预期的辐射的角度(对于由所述台阶生成的束)，该辐射的角度可以是小的或高的。因此，在本公开的一个实施例中，与现有技术解决方案相比，提出的技术提供更好的灵活性(就偏差而言)。

根据一个实施例，辐射的角度约为值θ_B＝0.75θ+θ_B90°，其中θ_B90°等于(90°-asin(n₂/n₁))/2，并且θ对应于所述电磁波的入射角。

因此，根据本公开的这样的实施例，通过相应地选择与所述入射电磁波相关联的入射角的值，能够获得给定/预期的辐射的角度(对于由所述台阶生成的束)，辐射的角度可以是小的或高的。因此，在本公开的一个实施例中，与现有技术解决方案相比，提出的技术提供更好的灵活性(就偏差而言)。

根据一个实施例，这样的器件适配于形成用于作为单色电磁波的入射电磁波的束，每个所述单色电磁波具有等于约480nm或525nm或650nm的值的波长。

附图说明

参考以下通过示例给出并且不限制保护的范围的描述和附图可以更好地理解本公开，并且其中：

-图1A至1D描绘现有技术的传统折射(图1A)和衍射(图1B)透镜，纳米喷射微球(图1C)和特拉喷射(terajet)长方体(图1D)；

-图2是根据本公开的实施例的由具有台阶(step)的电介质层产生的纳米喷射束的示意图，根据两个替代实施例图2A是侧视图以及图2B和2C是顶视图；

-图3图示根据图2A的替代实施例，其中台阶具有圆形顶边缘；

-图4图示根据本公开的实施例的在电介质材料层中形成的微腔的拓扑；

-图5a至5e图示当由来自下方的不同波长的平面波照射时具有圆形柱体形状的图4的腔形成纳米喷射束；

-图6a和6b提供图5a至5e的纳米喷射束辐射角的分析；

-图7a和7b图示本公开的复杂电磁现象的基础实施例；

-图8a至8c图示根据本公开的实施例的当由来自下方的单位幅度平面波照射时由不同高度的圆形柱形腔产生的纳米喷射束的近场图；

-图9a至9d示出在XZ平面(顶行)和XY平面中的截面(底行)中的单位幅度平面波的不同入射角下由中空圆形柱形腔产生的纳米喷射束；

-图10a和10b图示根据本公开的实施例的对于在XZ平面(顶行)和在XY平面中的截面(底行)中具有不同折射率的不同主介质观察到的纳米喷射束现象；

-图11示出根据本公开的实施例的四个示例性柱形腔的顶视图，每个柱形腔具有不同形状的横截面边界，即：(a)圆形、(b)正方形、(c)8形和(d)矩形；

-图12a至12d示出图11中每个腔在XZ平面(顶行)和XY平面中的截面(底行)的相应模拟近场图；

-图13a至13c是具有不同横截面的三个示例性柱形腔的成像平面中的场强分布的示意图；

-图14提供根据本公开的实施例的部件的实现方式的示意图；

-图15a至15f图示图14的部件的替代实施例的侧视图；

-图16图示图14和15的器件的典型使用场景；

-图17图示本公开的特定实施例，根据该实施例，聚焦部件基于嵌入主介质中的相同中空长方体形腔的2×2平面阵列；

-图18图示替代实施例，其中图17的中空长方体形腔用沿平面波传播方向取向的中空圆形柱体代替；

-图19图示另一个实施例，其中在电介质介质和自由空间的边界处创建中空圆形柱体的2×2阵列；

-图20图示由图17、18和19的所有三个实施例产生的纳米喷射束的轮廓；

-图21提供基于嵌入主介质中的中空柱体的单周期(图21a)和双周期(图21b)阵列的两个附加的示例性实施例；

-图22a和22b是图示图21a和21b的周期性结构的可能实施方式实施例的示意图，其中侧视图在顶行上并且和顶视图在底行上；

-图23呈现图21a和21b的周期性结构的替代可能的实现方式实施例；

-图24呈现当根据本公开的一个实施例的器件由具有等于450nm的波长的电磁波照射时，台阶基部角的变化对纳米喷射束辐射角的值的影响的示例；

-图25呈现当根据本公开的一个实施例的器件由具有等于550nm的波长的电磁波照射时，台阶基部角的变化对纳米喷射束辐射角的值的影响的示例；

-图26呈现当根据本公开的一个实施例的器件由具有等于650nm的波长的电磁波照射时，台阶基部角的变化对纳米喷射束辐射角的值的影响的示例；

-图27呈现图形，其示出对于具有等于450nm或550nm或650nm的波长的电磁波并且对于电介质层的折射率n₁的不同值，具有对于元素/物质的第二折射率n₂(即n₂＝1)的给定值，台阶基部角(或基部角)的变化对纳米喷射束辐射角的作用；

-图28(a)和28(b)呈现根据本公开的一个实施例的具有等于500nm的波长的电磁波的入射角的变化对纳米喷射束辐射角的值的影响的示例；

-图29呈现图形，其示出对于电介质层的折射率n₁的不同值，具有对于元素/物质的第二折射率n₂(即n₂＝1)的给定值，碰撞根据本公开的一个实施例的器件的具有等于500nm的波长的传播电磁波的入射角的变化对由台阶生成的纳米喷射束辐射角的作用。

附图中的部件不一定成比例，而是将重点放在图示本发明的原理上。

具体实施方式

本公开的一般原理依赖于新的电介质微结构的设计，其可用于在近区中生成会聚低色散光束，也称为纳米喷射。其用途不限于光学波长。电介质微结构中的折射率的阶变导致衍射现象，该衍射现象又与折射和干涉现象耦合，并且取决于结构的形状和尺寸，使得当电介质微结构由平面波照射时在近区中生成辐射的(多个)会聚束。

相反，这样的电介质微结构可以用于将由局部电磁辐射源或位于靠近台阶的侧边缘(lateral edge)的另一束形成元件生成的电磁波的非平面波前转换成局部平面波前或束。

在近区中一个或几个纳米喷射束的形成，出现入射在器件上的平面(或局部平面)波。当器件以反向模式工作时，局部光源放置在焦点上(即，在纳米喷射束区域中)，形成局部平面波，其等效于延伸到无限远的无限长束。

可以通过设定台阶的边缘线长度和曲率以及其基部角来控制这样的纳米喷射器件的束形成功能。

这样的一般原理允许设计新的聚焦和束形成组件，其可以代替密集光学和光子系统中的传统聚焦器件，如在相机/摄像机中使用的集成光学传感器，其是移动技术领域中的基本组件(例如，智能手机、平板电脑、增强现实(AR)和虚拟现实(VR)眼镜)。

由于这样的电介质微结构的超紧凑尺寸，以及可以通过使用这样的微结构产生的宽范围和多样化的场图案，本公开可以用于许多技术领域，包括，但不限于：

-眼镜电子产品，包括AR和VR眼镜；

-用于照片/视频/光场相机的光学传感器；

-轻型通信系统，包括量子计算机；

-生物/化学传感器，包括芯片实验室传感器；

-显微镜、光谱仪和计量系统；

-集成透镜天线，用于毫米/亚毫米/红外(IR)波长范围的应用。

以下讨论主要集中在光学应用上，并且因此涉及与纳米级结构和波长相关的材料特性和制造方法。然而，提出的设计概念可以容易地缩放到其他波长范围，包括微波、毫米波、太赫兹、IR、可见光和UV。

本公开的发明人已经得出结论：在电介质材料的基表面的等级突然变化(也称为台阶)的封闭附近，平面电磁波在该表面上的衍射，可以导致当衍射发生在其上的表面与具有低于电介质材料的折射率的折射率的物质或元素(材料或气体)接触时形成会聚光束(所谓的纳米喷射)。束的数量和每个单独束的形状可以通过台阶大小的变化和与台阶的侧和下表面相邻的台阶边缘线的形状来控制。不像菲涅耳理论预测的众所周知的衍射束，纳米喷射束是低色散的(它们不表现或表现很小的波长依赖性)。此外，根据本公开的相同的纳米喷射聚焦部件可以产生与台阶边缘线的不同段相关联的多个独立的束(具有相同或不相同的形状)，这对于菲涅耳衍射透镜是不可能的。这些独特的特征使得根据本公开的基于纳米喷射的聚焦部件对于许多当今和未来的应用具有吸引力。

图2至图10使得理解解释根据本公开的纳米喷射束的形成的物理现象。

图2例示本公开的实施例，其中在电介质层112的表面的等级中发生突然变化，由此在层中形成台阶。图2a示出电介质层112的侧视图。图2b和2c分别示出具有直边缘线(图2b)和弯曲(图2c)边缘线的台阶的情况下的顶视图。

如图2a所示，该器件被入射波20照射，入射波20来自器件的基部并且沿着z轴正交于电介质层112的基表面。如图2b和2c中的虚线箭头示意性所示，纳米喷射束55源自台阶的基部边缘，其包括水平部120和侧部121(其也可相对于z轴倾斜)。

标记为22至24的光斑表示在成像平面中形成的近场分布中的对应热斑。在图2c中观察到的具有两个热斑23、24的特定场分布与边缘线的形状相关联，其具有两个凹陷段以负责形成两个独立的纳米喷射束。

图3图示图2a的替代实施例，其中在电介质层112中形成的台阶表现圆形顶部边缘122。当被类似图2a中的入射波20照射时，这样的台阶也将生成源自台阶的基部边缘的纳米喷射束55。

图4图示本公开的实施例，根据该实施例，在电介质材料层的表面处形成的台阶实际上是在电介质材料层112中制成的微腔111的边缘。本公开当然不是限制于这样的实施例，并且靠近电介质材料的表面的等级和率的任何突然变化足以生成物理现象，这将在下文中描述。这样的台阶确实可以被认为是无限尺寸的腔的边缘。

必须理解，在台阶的情况下，聚焦功能不与整个结构相关联，而是与该台阶不连续性的基本段相关联。阶梯不连续性的其他部分将有助于形成可以一起形成的其他纳米喷射束(i)如在一系列台阶的情况下的宽均匀“叶片状”纳米喷射束(参见图2a和2b)，或者(ii)在任意大圆形柱形腔的情况下的环(见图12a，13a)，或(iii)由任意形状的腔的曲线边缘产生的任意数量的不同形状的局部束(见图13c)。

为了简单的缘故，我们因此在下文中集中于在电介质材料层112中形成的微腔111的示例，如图4中图示。

可以观察到，这样的腔是柱形，具有任意形状的横截面。柱形腔在这里和贯穿本文是指形状为柱体的腔，即通过沿与曲线的平面相交的轴线投射闭合的二维曲线而形成的表面。换句话说，这样的柱体不限于正圆形柱体，而是覆盖任何类型的柱体，显著是但不限于，例如长方体或棱柱体。

图4给出一些符号，这些符号将在下文中使用。如可以观察到的，腔浸没在折射率n₁的主介质介质1 112中，并且是空的或填充有折射率n₂的材料(空气、气体、液体、聚合物材料......)介质2，使得n₂<n₁。

例如，腔具有圆形柱体的形式，其被真空填充并嵌入在均匀非色散电介质介质(具有示例折射率n₁＝1.49)中。

平面波沿z轴从下方入射(符号见图4)。图5图示当被该平面波照射时由这样的腔形成纳米喷射束。更精确地，图5a至5e每个对应于入射电磁波的不同波长，即λ₀＝450,500,550,600和650nm，并且示出对于嵌入折射率n₁＝1.49的介质中的中空圆形柱体((L_z＝740nm，R＝370nm)的情况在时间平均坡印廷矢量方面绘制的XZ平面中的近场图。腔由来自下方的单位幅度Ey偏振平面波照射。

可以观察到，对于低色散电介质材料(当波长变化时n₂/n₁接近恒定)，纳米喷射束的形状及其方向在宽波长范围内保持稳定。在图6a和6b中报告了纳米喷射束辐射角的详细分析。图6a图示对于图5的五个不同波长，在定义为z＝z₀-L_z的三个不同平面处的XZ平面中的坡印亭矢量。图6b图示基于图6a中的最大值的位置计算的纳米喷射束辐射角作为波长的函数。

从近场图提取的这些数据揭示，对于从至少450至750nm的波长范围，纳米喷射束辐射角的变化不超过3°(在下文中，电介质材料被认为是均匀、各向同性和非分散的)。如图6a中看到，对角度变化的主要贡献来自于柱体上方的束倾斜(z₀＝1500nm，其中z₀是相对于腔基部120限定的成像平面的相对位置，即z₀＝z-L_z)，而(z₀＝500nm)的束形状在整个波长范围内保持稳定。这样的行为对于菲涅耳型衍射透镜来说并不典型，并且因此需要详细解释。

纳米喷射束的来源可以通过三种电磁现象的组合来解释，其发生在中空腔的基部边缘附近(或者更一般地在电介质材料表面的等级突然变化附近)，即：

-来自与腔的基部120相关联(或者更一般地，与在主介质中形成的台

阶的较低等级的表面相关联)的率台阶不连续的衍射，

-衍射波在腔的侧边缘121处(或更一般地在台阶的侧部上)的折射，和

-折射波和入射平面波在腔外部(或更一般地在主介质中)的干涉。

图7a和7b给出说明这三种现象的示意图。如图5和图6中，我们假设主介质是光学透明的非色散电介质材料，其折射率n₁＝1.49(例如，塑料或玻璃)，并且腔被真空填充，n₂＝1。入射平面波从图中的下方到达。

图7a和7b中图示的复杂电磁现象的关键要素如下：

-入射平面波在与腔基部相关联的电介质-空气边界120处感应出电流(或更一般地，当达到由其表面中的等级突然变化引起的主介质中的折射率的阶变时)；

-这些感应电流被认为是惠更斯二次源50至53；

-根据衍射理论，由惠更斯源辐射的球面波54导致朝向“阴影区域”(即朝向腔的侧边界121)的一些功率泄漏；

-在横越侧(垂直)边界时，由惠更斯源辐射的波经历折射，其导致根据斯涅耳-笛卡尔(Snell-Descartes)定律的折射波在某个角度上的倾斜。

-在图7b中，我们可以注意到，在腔外部，波前沿与腔基线的不同惠更斯源位置重合，由此创建局部场增强。这些波前沿的平面形状证明创建从腔传播出的定向束。

-最后，在腔外部，折射波有益地与从下方入射的平面波干涉56、57，以导致纳米喷射束55。

因此，纳米喷射束创建由本质上非色散的现象解释，即(i)边缘衍射，(ii)在两种电介质介质的界面处的波的折射，以及(iii)干涉。这解释了为什么束的形状及其辐射角对波长保持稳定，如图5a至5e可以观察到的。

此外，对于在腔的基部的法线入射平面波的情况，纳米喷射束辐射角由斯涅尔定律定义，因此它只是两个参数的函数：

(i)主介质和腔材料的折射率之间的比率，和

(ii)棱柱腔的基部角。为简单的缘故，在前文中，我们仅考虑具有等于90°的基部角的棱柱腔，由此具有垂直边缘的柱体形状。

最后，纳米喷射束形成现象与腔的边缘(不是全孔径)相关联并且发生在正交于腔横截面的2-D垂直平面中(参见图4的符号)。

如下从图7b，对于在腔外部形成折射波的平面波前的主要贡献来自位于靠近腔的侧边缘121的惠更斯源50-53。因为如此，向腔外辐射的波的折射角接近于从外部入射到同一边界的波的临界角(图7a)：

θ₁≈θ_TIR，其中θ_TIR＝sin^-1(n₂/n₁)是临界角。 (1)

作为折射波和从下方入射的平面波之间的干涉的结果，最终创建纳米喷射束55，纳米喷射束的辐射的角度(θ_B)由两个波的矢量和定义，如示意性在图7a中示出。这些考虑导致纳米喷射束的辐射角的以下近似公式：

θ_B≈(90°–θ_TIR)/2 (2)

根据方程式(2)，对于折射率为n₁＝1.49(θ_TIR＝41.8°)的主介质，纳米喷射束辐射角应为θ_B～24°，其略大于全波模拟中观察到的(见图6b)。该差异可以通过定性分析中做出的一些假设来解释。首先，该分析没有考虑折射波和入射波的幅度差异。其次，没有考虑由位于靠近腔边缘的惠更斯源从外部发射的射线，其经历腔侧边缘上的全内反射。被完全反射，这些射线也有助于纳米喷射束的形成。注意，这两种效应与全内反射现象有关，并因此不能使用斯涅耳/菲涅尔(Snell/Fresnel)模型准确表征。然而，两种效果(i)取决于两种介质的折射率的比率，以及(ii)导致减小纳米喷射辐射角。因此，实际的纳米喷射辐射角可以小于方程式(2)预测的。

图8a至8c图示当由从下方的单位幅度平面波照射时由不同高度((a)H＝L_z＝370nm,(b)H＝L_z＝740nm,(c)H＝L_z＝1110nm)的柱形腔(n₁＝1.49,n₂＝1,R＝370nm)产生的纳米喷射束的近场图。可以观察到，纳米喷射现象对于腔尺寸在主介质中从大约一个波长到几个波长变化非常明显，即1/2□₁<L_z<3□₁。

需要最小高度来形成图7b中图示的平面波前，其产生纳米喷射束。然而，与纳米喷射束的长度相比，腔的高度(或台阶的高度)不应太大，以使其在聚焦部件外部有用。

如图8a至8c所示，取决于腔形状和尺寸，纳米喷射束的长度可以在主介质中从几个变化到若干波长。

基于图7b的2-D射线追踪分析，纳米喷射束的形成的主要贡献来自位于靠近腔侧边缘(或台阶的侧部)的馈入。负责纳米喷射束的形成的对应“有效孔径”被估计为腔内部介质中的大约一半波长(1/2□₂)，其要从向内朝向腔的侧边缘计算。对于具有任意形状的腔，该孔径沿着正交于腔横截面边界S的线定义(参见图4)。

在2-D情况下(可以对应于任何垂直横截面，例如在xz平面中)，由于纳米喷射束形成而实现的局部场强增强(FIE)与入射平面波相比约为2倍。通过修改腔横截面S的形状(这将在下文中更详细地解释)或者通过组合来自若干腔的贡献，可以实现更大的FIE。

纳米喷射束的半功率处的全宽度(FWHP)可以从大约1/2□₁(即，阿贝衍射极限)变化到若干波长，并且更取决于腔的形状。

图9a至9d示出在XZ平面中的单位幅度平面波的不同入射角下(即在图9a中θ＝0°，在图9b中θ＝10°，在图9c中θ＝20°并且在图9d中θ＝30°)由中空柱形腔(n₁＝1.49,n₂＝1,L_z＝740nm,R＝370nm)产生的纳米喷射束。

XY平面中的近场图案的对称性(参见图9a)证明，对于入射波的TE(横向电场)和TM(横向磁场)极化，束形状和辐射角保持几乎恒定。

此外，在倾斜入射的情况下，在图9中可以观察到，束辐射角度对应于平面波的入射的角度而改变。对于高达约□_B的入射角，束的形状和场强增强保持几乎恒定。

图10图示对于不同主介质(包括标准光学塑料和标准或掺杂玻璃)观察到的纳米喷射束现象。这样的纳米喷射束由具有相同物理尺寸(n₂＝1,L_z＝740nm,R＝370nm)但嵌入折射率在图10a中n₁＝1.49并且在图10b中n₁＝2.0的主介质中的中空圆形柱体腔产生。

通过图2至图10图示的复杂电磁现象的理解使得设计感兴趣的器件，其可以用作纳米喷射聚焦部件、束形成部件、或更一般地用于在近区中形成期望的场强度分布的部件。这样的部件可以用于将入射平面波变换成一个或多个独立束，或者相反地，用于根据电磁的对称路径特性将入射的非平面波(无论其波长如何)变换成局部平面波。

如上面在本公开中解释，纳米喷射束的形成与电介质材料层中的台阶的侧部相关联，或者与腔的边缘相关联，但不与其全孔径相关联。通过优化腔S的横截面的形状，能够控制由该腔产生的(多个)纳米喷射束的形状。

图11示出四个示例性柱形腔，每个腔具有不同形状的横截面边界，即：(a)圆形，(b)正方形，(c)8形，和(d)长方形。虚线示意性示出一些垂直切割平面，其中当这些腔被从图的平面沿z轴传播的平面波照射时，生成纳米喷射束。这些切割平面相对于在腔横截面边界的对应点处限定的法向矢量的方向来定义。每个腔的对应模拟近场图在图12a至12d中示出，其图示中空腔(L_z＝L_x＝R＝740nm)中xz平面(y＝0)和xy平面(z＝1000nm-z₀)的近场图案，具有相同的高度和半径但不同的横截面形状的中空腔由下面的单位幅度平面波照射：(a)圆形，(b)正方形，(c)8形，(d)长方形。xy平面中的光斑101至104标识纳米喷射束，其形状和位置与图8中给出的预测一致(这些近场图在任意选择的xy平面z₀＝1000nm处计算)。

特别地，图12a示出轴对称的圆形腔产生发散的锥形束。有趣的是注意到，该锥形束几乎是对称的(见水平xy平面中的近场图案)，这是这样的部件的偏振不敏感行为的证据。在该配置中，最大FIE与在相同主介质中传播的平面波相比等于～2倍。

注意，图12中的近场图根据时间平均坡印亭矢量P绘制。在平面波在具有折射率n的非色散均匀电介质介质中传播的情况下，该参考电磁场量定义为：

其中E_m是E场的幅度，η是介质中的波阻抗，n是折射率。在折射率n＝1.49的主介质的情况下，由时间平均坡印亭矢量表征的功率密度的参考值是～1.94mW/m2。

图12b和12c分别示出腔横截面S从圆形形状到长方形和8形的变换如何使得形成具有四个(标号104)和两个(标记为103)纳米喷射束的多束近场图案。该束形成效果分别涉及边界段从凸起形状到平面形状然后到凹入形状的变换。在图12b和12d中观察到的束具有与由圆形柱体产生的锥形束相似的辐射角(图12a)。同时，在方位角方面的束宽度是不同的。腔横截面边界S的凹入段的内角越大，束越窄，并且场强越高。具体地，图12b(正方形形状)和12c(8形)中呈现的两个腔的FIE分别等于～2.5和～2.8倍。

最后，图12d示出由中空长方形腔生成宽叶片状纳米喷射束。该示例演示形成宽束的可能性，该宽束对于要求均匀照射窄形面积的某些应用是有意义的。

因此，腔的边界曲率是用于改变纳米喷射束形状、位置和场强度增强的工具。

可以使用相同的方法来构建具有对称或非对称横截面的更复杂的部件，从而产生任意数量的相同或不同的纳米喷射束。

这些示例性实施例中的一些由图13图示，图13呈现具有不同横截面的三个示例性柱形腔的成像平面中的场强分布的示意图。更精确地，图13a示出具有圆形横截面的腔111a，已经在图11a中图示：虚线箭头示意性示出纳米喷射束源自该腔111a的底部。环551表示由于这些纳米喷射束而形成的近场分布中的热斑。

图13b示出非对称腔111b，其在xy平面中的横截面以某种方式呈三角形，但三角形的三个边中的一个是凹的。这样的大致三角形腔111b创建三个光斑552、553和554，由于凹面，其中一个(554)被增强。

图13c示出利用五个直的或凹入的段的任意成形的腔。光斑555至559表示由于源自台阶的基部边缘的纳米喷射束形成的近场分布中的热斑，由虚线箭头示意性示出。在图13c中观察到的具有五个热斑的特定场分布与具有五个直的或凹的段的边缘线的特定形状相联系，五个直的或凹的段负责形成五个独立的纳米喷射束。

图14提供根据本公开的实施例的用于这样的部件的实现方式的示意图。

这样的器件呈现多层结构，包括：

-形成基板的第一层110，其可以例如由玻璃或塑料制成；

-邻接基板110的第二层电介质材料112；

-在电介质层112的顶部上形成覆板113的第三层。覆板可以例如由玻璃或塑料制成。在图11的实施例中，相同的材料用于基板110和覆板113，但这不是强制性的。

在电介质材料层112中形成具有任意横截面的腔111。图14提供腔111的3D视图，以及部件的侧视图和顶视图。

在一个实施例中，图14的器件是平面光学透明(例如玻璃)板，其具有嵌入的被定向为与表面正交的柱形微腔。基板110和覆板113二者是玻璃板，并且电介质材料层112是由如PMMA(聚(甲基丙烯酸甲酯))的光学透明聚合物制成的薄膜。

这样的部件的制造过程可以包括，首先，在玻璃板110上沉积期望厚度的薄膜112；然后，使用任何已建立的微制造技术(例如光学或电子束光刻)，在该薄膜112中创建腔111。最后，该结构被另一个玻璃板113覆盖。

因此，与现有的模拟不同，由于其简单的拓扑结构和具有要求的折射率的电介质材料的可用性，这样的组件可以使用已建立的平面制造技术制造。

图15a至15f图示图14的部件的替代实施例的侧视图。

在图15a中，部件由单个电介质材料层112制成。电介质层112的表面等级的突然变化形成台阶，这也引起从底部到达部件的入射波的折射率的阶变，因为围绕部件的空气具有比电介质材料112低的折射率。因此，上面关于图2至10描述的复杂电磁现象首先通过平面入射波在表面的下部120上的衍射然后通过衍射波在台阶的侧部121上的的折射而产生。

该部件也可以浸入除空气之外的另一种材料中，例如另一种气体，或者该表面的下部120可以与具有比电介质材料112更低的折射率的任何其他物质接触。

图15b图示另一个实施例，根据该实施例，部件包括单层电介质材料112，其中形成作为通孔的腔：腔的高度因此对应于电介质层112的厚度。

图15c图示另一个实施例，根据该实施例，部件包括单层电介质材料112，其中形成腔111，该腔111的高度小于电介质材料层112的厚度。腔的高度和其横截面可以任意选择，随部件产生的束而改变。显著地，腔的顶部不需要一定对应于电介质层112的顶表面。

其中腔111具有无限尺寸的特定实施例对应于图15a的实施例，台阶对应于腔111的边缘。

图15d图示又一个实施例，根据该实施例，部件呈现双层结构，即形成基板的第一层110，在其上面放置第二电介质材料层112。腔111形成在电介质材料层112中。其中第一层110和第二层112由相同材料制成的特定实施例对应于图15c的实施例。

图15e对应于又一个实施例，其中该器件呈现三层结构，如图14的实施例中。然而，基板110和覆板113不需要一定由相同的材料制成。

图15f图示又一个实施例，其中部件包括在电介质材料层中形成的一组的两个或更多个腔。腔可以以规则的阵列排列，或者取决于要生成的(多个)束以任何数量和任何图案分组。可以在图15b至15e的单层或多层实施例的任一个中形成这样的多个腔。

下文将在关于图17至23更详细地描述这样的实施例。

图16图示图14和15的器件的典型使用场景。为简单的缘故，图16中图示的部件对应于图14的组件；然而，必须理解的是，也可以由对应于图15的任何实施例的任何部件代替。

发射元件130朝向器件132的基表面发射平面电磁波。发射元件130可以是系统的一部分(例如，如AR/VR眼镜中)或仅仅是外部光源的模型(例如，由物镜准直的散射环境光，如照相机的情况)。例如，发射元件130可以是：

-来自位于远处的源的环境光；

-由直接附接到纳米喷射部件132的光源(例如，光电二极管或光纤)产生的光；

-由另一个聚焦元件132产生的光束。

可以位于距腔111的任何距离处并生成定向光束或全向光发射。

取决于设计和制造方法，器件132的结构可以由密封在一起的两层或更多层组成，如上面关于图15解释。在图16的实施例中，这样的器件呈现三层结构，一个或者若干微腔111在密封的基板110和覆板113的一个或两个表面上。在一些实施例中，器件132的该结构可以直接附接到发射元件130和/或接收元件131上。例如，可以采用直接放置在传感器或平凸透镜上的柔性部件的形式。

一个或多个腔111是中空的(因此填充有空气)，或者填充有折射率低于基板110的折射率的材料。

接收元件131必须位于距腔的一定距离内，其取决于由腔生成的纳米喷射束的长度。该距离一般可以从大约3到10个波长变化。图16中的虚线圆圈表示到接收元件131的最大距离R_max。对于某些腔的布置，可以更大，包括多于一个腔(见下面关于图17至23)。腔、发射和接收元件的可能相对位置由纳米喷射束55的辐射角和入射波的入射角限定。

接收元件131可以是：

-检测器，例如相机中的光电二极管，

-目标，例如水或血液溶液中的量子点，纳米粒子或分子{光谱仪、显微镜或芯片实验室器件}，

-另一种聚焦、束形成或导光元件，例如，透镜、光栅、光纤、AR/VR眼镜、光通信等。

由于可以使用根据本公开的部件132，或者用于从入射平面波生成束55，或者用于从入射的非平面波或束生成局部平面波，所以可以颠倒接收131和发射元件130。

这样的部件132可以用作集成光学传感器和/或导光和光处理系统的构建块，以及备用聚焦器件(例如，近场探头)。它们能够利用进行子波长分辨率的近场聚焦和至少两倍的场强增强(FIE)，在光学范围内工作。

图17图示本公开的一个具体实施例，根据该具体实施例，聚焦部件基于嵌入主介质中的中空长方体2×2阵列。图17a图示这样的部件的拓扑结构，而图17b提供当部件被沿z轴传播的单位幅度平面波照射时的时间平均功率分布的模拟结果(n₁＝1.49,L_x＝L_y＝L_z＝2□₁,S＝0.5□₁)。

图17a的部件包括嵌入光学透明主介质112(折射率n₁>n₂)中的四个中空长方体(n₂＝1)140。例如，这可以是玻璃、塑料(例如，PMMA)或聚合物(例如PDMS(聚二甲基硅氧烷))。

在被嵌入均匀电介质112(折射率n₁＝1.49，其是光学范围内的玻璃和塑料的典型值)中的中空(n₂＝1)长方体140的2×2阵列的轴上生成纳米喷射束。分析表明，通过相对于主介质折射率和入射平面波的波长优化长方体的尺寸、形状和相对位置，可以生成具有～□/2n₁半功率束全宽(FWHP)和至少为5倍的FIE的纳米喷射束。

图18图示替代实施例，其中中空长方形长方体140由沿着平面波传播方向取向的中空柱体141代替。如图17，图18a图示这样的部件的拓扑结构，而图18b提供当部件被沿z轴传播的单位幅度平面波照射时的时间平均功率分布的模拟结果(n₁＝1.49,L_z＝2□₁,R＝□₁,S＝0.5□₁)。

由于消除了长方体的尖锐垂直边缘，柱形形状有利于制造过程。特别地，这样的柱形孔径可以通过光学光刻或另一已建立的平面微制造技术(例如纳米压印或复制成型)制造。

图19图示另一个实施例，其中在电介质112和自由空间的边界处(例如，在玻璃或塑料板的表面上)创建2×2阵列的中空柱体141。当被来自介质侧的平面波照射时，这样的部件在靠近板112的表面的自由空间中产生纳米喷射束。该实施例对于要求在聚焦部件和受测物体之间具有气隙的应用是有利的，其是光学数据贮存器、显微镜、光谱仪和计量系统的典型场景。

如图18中，图19a图示基于在电介质介质和自由空间的界面处创建的2×2阵列的中空柱体的这样的部件的拓扑结构，而图19b提供当部件被沿z轴传播的单位幅度平面波照射时的时间平均功率分布的模拟结果(n₁＝1.49,Lz＝2□₁,R＝□₁,S＝0.5□₁)。

由图17、18和19的所有三个实施例产生的纳米喷射束的轮廓在图20中示出。根据相对于在相同主介质中传播的平面波的场强定义的场强增强(FIE)来绘制轮廓。更精确地，在图20a中，可以看到沿z轴的束轮廓，而图20b-20c-20d示出在平面z＝z_m中的束横截面视图，其中z_m是具有从图20a中推导的最大场强的点。可以观察到，对于所有三个实施例，子波长分辨率被很好的保持，而FIE在大约5到11a.u的范围内变化。注意，在所有情况下，相对于在相同主介质(即，玻璃(图17和18的实施例)和自由空间(图19的实施例))中传播的单位幅度平面波，FIE被定义为在具有和不具有根据本发明实施例的聚焦器件的情况下给定点中的场强度水平之间的比率，。

附加分析示出，通过改变尺寸和长方体(柱体)之间的间距，可以在一定范围内改变沿z轴的焦斑位置。对于要求深度扫描或成像的应用，改变纳米喷射束长度和位置的可能性是有意义的。

图21提供基于嵌入在主介质112中的中空柱体141的单周期(图21a)和双周期(图21b)阵列的两个附加示例性实施例。在两个实施例中，中空柱体形成多个规则间隔的子阵列2×2紧密定位的散射体(其作用类似于图18中图示的部件)的。注意，在图21b的情况下，每个中空柱体141同时有助于形成四个纳米喷射。

图21的实施例对于可受益于多光斑聚焦能力的系统，可能是有意义的。例如，可以是相机或光谱仪系统。

当然，在上面描述的所有实施例中，腔的形状不限于规则的柱体或长方体。如关于图2至10解释，本公开的发明人强调的电磁现象将对于任何形状的腔发生，无论是锥形，棱柱体还是柱体(在广义上，即通过沿着与曲线的平面相交的轴投影闭合的二维曲线而创建的表面)，以及无论其什么横截面。此外，腔的主轴可以与电介质材料或基板的表面正交，或者可以相对于该表面以任何角度倾斜。

图22是图示图21a和21b的周期性结构的可能实现方式实施例的示意图。

在所有实施例中提出的部件可以例如以薄膜的形式制造，穿孔孔径附接到玻璃板或直接附接到另一光学部件(诸如平凸透镜)的平坦表面。对于图17、18、19和21的实施例，然后可以用另一层光学透明介质(例如，另一玻璃板)覆盖。

该膜可以由光学透明材料制成，如PMMA(丙烯酸)，其要直接沉积在支撑部件(例如玻璃板或透镜)的表面上。例如，这可以通过使得能够沉积具有期望厚度(几百纳米量级)的薄纳米薄膜的旋涂来完成。

然后可以例如使用光学或电子束光刻技术创建孔径(将用作中空长方体)。

可以使用比标准光学光刻更快且更便宜的无掩模干涉光刻来制造周期性结构。

图23呈现图21a和21b的周期性结构的替代可能的实现方式实施例。

在该替代实施方式中，中空长方体可以使用纳米压印或复制成型方法在光学透明材料(例如，软有机聚合物，如PDMS)中制造，然后附接在用作载体的玻璃板的表面上。

关于图22和23描述的制造工艺仅作为示例给出，以使用已建立的微制造方法突出根据本公开的器件的制造可行性。然而，也可能存在一些其他制造方法，或者更适合于大规模生产。

已经呈现用于近场聚焦和束形成的新方法和一组部件。

部件具有锥形，棱柱形或柱形腔的形式，其横截面被成形为产生具有可调节的重新分配和轮廓的不同数量的纳米喷射束。

纳米喷射束在xy平面中的形状和布置以及它们在z中的延伸由腔横截面的形状限定。更一般地，电介质层的表面中的简单台阶足以生成这样的纳米喷射束。

束的长度取决于腔大小和折射率比率。

对于给定的折射率比率，主要参数(即，长度、宽度、辐射的角度和FIE)在至少±20％的波长范围内保持稳定。

与现有技术的聚焦器件相比，这样的部件提供许多优点，其中：

-简单拓扑结构，其可以是平面的或柔性的并提供良好的机械刚性；

-它们基于标准材料，并因此可以使用标准电介质材料制造，如光学玻璃或塑料。不需要高折射率材料(与现有技术SDC不同)；

-简单制造：它们可以使用已建立的平面微制造方法制造(诸如激光和电子束光刻、纳米压印、复制成型等)。

-简单集成：它们可以用作独立元件(例如，近场探头)，或附接到其他光学部件(例如，平凸透镜)，或者用作集成聚焦系统的构建模块(例如，相机传感器)；

-良好的性能特征，具有子波长分辨率～□/2n₁(即，主介质中波长的一半)和2到至少11倍的FIE。

应当注意，在本公开的一个实施例中，本技术可以不限于非辐射(反应)区，也可以包括菲涅耳辐射、过渡和部分远场区。

图24呈现当根据本公开的一个实施例的器件由具有等于450nm的波长的电磁波照射时，台阶基部角的变化对纳米喷射束辐射角的值的影响的示例。

当具有等于450nm的波长的法向入射电磁波撞击根据本公开的一个实施例的器件的台阶的基部(其中n₁＝1.5并且n₂＝1)时，则：

-如果台阶基部角α具有大约70°的值，则纳米喷射束辐射角具有大约16°的值；

-如果台阶基部角α具有大约80°的值，则纳米喷射束辐射角具有大约19°的值；

-如果台阶基部角α具有大约90°的值，则纳米喷射束辐射角具有大约22°的值；

-如果台阶基部角α具有大约100°的值，则纳米喷射束辐射角具有大约25°的值；

-如果台阶基部角α具有大约110°的值，则纳米喷射束辐射角具有大约为29°的值；以及

-如果台阶基部角α具有大约120°的值，则纳米喷射束辐射角具有大约33°的值。

因此，台阶基部角α越小，纳米喷射束辐射角变得越小，反之亦然。

图25呈现当根据本公开的一个实施例的器件由具有等于550nm的波长的电磁波照射时，台阶基部角的变化对纳米喷射束辐射角的值的影响的示例。

当具有等于550nm的波长的法向入射电磁波撞击根据本公开的一个实施例的器件的台阶的基部(其中n₁＝1.5并且n₂＝1)时，则：

-如果台阶基部角α具有大约70°的值，则纳米喷射束辐射角具有大约16°的值；

-如果台阶基部角α具有大约80°的值，则纳米喷射束辐射角具有大约19°的值；

-如果台阶基部角α具有大约90°的值，则纳米喷射束辐射角具有大约22°的值；

-如果台阶基部角α具有大约100°的值，则纳米喷射束辐射角具有大约25°的值；

-如果台阶基部角α具有大约110°的值，则纳米喷射束辐射角具有大约29°的值；以及

-如果台阶基部角α具有大约120°的值，则纳米喷射束辐射角具有大约33°的值。

因此，台阶基部角α越小，纳米喷射束辐射角变得越小，反之亦然。

而且，入射电磁波的波长值不影响台阶基部角α与纳米喷射束辐射角之间的关系。

图26呈现当根据本公开的一个实施例的器件由具有等于650nm的波长的电磁波照射时，台阶基部角的变化对纳米喷射束辐射角的值的影响的示例。

当具有等于650nm的波长的法向入射电磁波撞击根据本公开的一个实施例的器件的台阶的基部(其中n₁＝1.5并且n₂＝1)时，则：

-如果台阶基部角α具有大约70°的值，则纳米喷射束辐射角具有大约16°的值；

-如果台阶基部角α具有大约80°的值，则纳米喷射束辐射角具有大约19°的值；

-如果台阶基部角α具有大约90°的值，则纳米喷射束辐射角具有大约22°的值；

-如果台阶基部角α具有大约100°的值，则纳米喷射束辐射角具有大约25°的值；

-如果台阶基部角α具有大约110°的值，则纳米喷射束辐射角具有大约29°的值；以及

-如果台阶基部角α具有大约120°的值，则纳米喷射束辐射角具有大约33°的值。

因此，台阶基部角α越小，纳米喷射束辐射角变得越小，反之亦然。

图27呈现图形，其示出对于具有等于450nm或550nm或650nm的波长的电磁波并且对于电介质层的折射率n₁的不同值，具有对于元素/物质的第二折射率n₂(即n₂＝1)的给定值，台阶基部角(或基部角)的变化对纳米喷射束辐射角的作用。

应注意，联系台阶基部角和纳米喷射束辐射角的关系独立于入射电磁波的波长。

更精确地，纳米喷射束辐射角可以通过以下公式确定： 其中θ_B90°等于(90°-asin(n₂/n₁))/2，并且α是可以被包括在70°至120°内的基部角。根据预期的目标(诸如，将纳米喷射束定向在给定值(诸如15°)以下或高于给定值(诸如30°))，然后能够使用一些台阶基部角来实现这样的目标。

图28(a)和28(b)呈现根据本公开的一个实施例的具有等于500nm的波长的电磁波的入射角的变化对纳米喷射束辐射角的值的影响的示例。

在这样的实施例中，台阶基部角α是大约90°，并且电磁波的入射角定义为θ。

联系纳米喷射束辐射角和电磁波的入射角的关系可以用以下公式表示：θ_B＝0.75θ+θ_B90°，其中θ_B90°等于(90°-asin(n₂/n₁))/2，并且θ对应于电磁波的入射角。

因此，根据预期目标(诸如，将纳米喷射束定向在给定值(诸如15°)以下或高于给定值(诸如30°))，可以使用入射角来实现这样的目标。

图29呈现图形，其示出对于电介质层的折射率n₁的不同值，具有对于元素/物质的第二折射率n₂(即n₂＝1)的给定值，撞击根据本公开的一个实施例的器件的具有等于500nm的波长的传播电磁波的入射角的变化对由台阶生成的纳米喷射束辐射角的作用。

Claims (16)

1.一种器件(132)，用于从入射在所述器件上的传播电磁波在近区形成场强分布，

其中所述器件包括：

至少一层电介质材料(112)，具有第一折射率n₁，其表面具有至少一个水平的突然变化，以形成台阶；

元件，具有低于所述第一折射率n₁的第二折射率n₂，该元件与所述台阶接触；以及

其中所述台阶生成与所述电磁波的传播方向相比倾斜的束，并且所述束具有在至10λ₁之间的长度,，λ₁是所述电磁波在所述电介质材料中的波长。

2.如权利要求1所述的器件，其中，所述倾斜束与辐射的角度相关联，所述辐射的角度被定义为所述第一折射率n₁和/或所述第二折射率n₂和/或与所述台阶相比较所述入射电磁波的入射角和/或台阶角度的函数。

3.如权利要求2所述的器件，其中，所述辐射的角度约为值(90°-asin(n₂/n₁))/2，所述第一折射率被包括在范围[1.3；1.4]和[1.5；1.8]之一内，并且所述第二折射率等于1，并且其中，所述入射电磁波是法向入射电磁波。

4.如权利要求2所述的器件，其中，所述辐射的角度约为值 其中θ_B90°等于(90°-asin(n₂/n₁))/2，并且α是被包括在70°至120°之内的所述台阶基部角。

5.如权利要求2所述的器件，其中，所述辐射的角度约为值θ_B＝0.75θ+θ_B90°，其中θ_B90°等于(90°-asin(n₂/n₁))/2，并且θ对应于所述电磁波的入射角。

6.如权利要求1至5中任一项所述的器件，其中，所述器件适配为形成用于入射电磁波的束，所述入射电磁波是单色电磁波，所述单色电磁波中的每一个具有等于大约480nm或525nm或650nm的值的波长。

7.如权利要求1至6中任一项所述的器件，其中，所述台阶由在所述至少一层电介质材料中制成的至少一个腔(111)的边缘形成。

8.如权利要求7所述的器件，其中，所述至少一个腔(111)是所述至少一层电介质材料中的通孔。

9.如权利要求7至8中任一项所述的器件，其中，所述至少一个腔属于至少一组的至少两个腔。

10.如权利要求7至9中任一项所述的器件，其中，所述至少一个腔的目标是柱形或锥形。

11.如前述权利要求中任一项所述的器件，其中，所述台阶的高度H的目标是使得其中λ₁是所述电磁波在所述电介质材料中的波长。

12.如前述权利要求中任一项所述的器件，其中，所述器件还包括至少一个层，以形成邻接电介质材料层的基板(110)。

13.如权利要求12所述的器件，其中，所述器件还包括形成覆板(113)的至少一个层，所述至少一层电介质材料位于所述基板和所述覆板之间。

14.如权利要求13所述的器件，其中，所述基板和所述覆板由与所述至少一层电介质材料相同的电介质材料制成。

15.如前述权利要求中任一项所述的器件，其中，所述电介质材料属于包括以下的组：

-玻璃；

-塑料；

-聚合物材料。

16.如权利要求12或13所述的器件，其中，所述覆板的材料属于包括以下的组：

-玻璃；

-塑料；

-液体；

-聚合物材料。