CN112601990B - 包括双材料结构的衍射光栅 - Google Patents
包括双材料结构的衍射光栅 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112601990B CN112601990B CN201980031384.4A CN201980031384A CN112601990B CN 112601990 B CN112601990 B CN 112601990B CN 201980031384 A CN201980031384 A CN 201980031384A CN 112601990 B CN112601990 B CN 112601990B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- refractive index
- axis
- grating
- diffraction grating
- along
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims description 63
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims abstract description 18
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 9
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 37
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 15
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 12
- 230000006870 function Effects 0.000 description 10
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 4
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 3
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 239000012782 phase change material Substances 0.000 description 2
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 2
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 240000006108 Allium ampeloprasum Species 0.000 description 1
- 235000005254 Allium ampeloprasum Nutrition 0.000 description 1
- 102100029469 WD repeat and HMG-box DNA-binding protein 1 Human genes 0.000 description 1
- 101710097421 WD repeat and HMG-box DNA-binding protein 1 Proteins 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- -1 dioxidesVanadium Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 238000002032 lab-on-a-chip Methods 0.000 description 1
- 238000000651 laser trapping Methods 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000002113 nanodiamond Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1809—Diffraction gratings with pitch less than or comparable to the wavelength
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
- G02B27/4233—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
- G02B27/4233—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application
- G02B27/4244—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application in wavelength selecting devices
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
Abstract
在本公开的一个实施例中，提出了一种用于衍射光的衍射光栅，包括衬底和位于衬底表面上的多个光栅单元格。光栅单元格在所述衬底表面上形成彼此平行或沿相同轴的光栅单元格的周期阵列。衍射光栅与由轴x、y和z定义的三维笛卡尔坐标系相关联，其中z轴垂直于所述衍射光栅。在垂直xz平面中光栅单元格的横截面包括具有第一折射率n1的均匀介电主介质，嵌入具有沿x轴的第一宽度W1、沿z轴的高度H和第二折射率n2的第一介电材料的至少第一块，其沿所述z轴的边缘与具有沿所述x轴的第二宽度W2、沿所述z轴的所述高度H和第三折射率n3的第二介电材料的至少第二块直接接触，所述第一折射率n1、第二折射率n2和第三折射率n3彼此不同使得n1＜n3＜n2。第一块和第二块在所述垂直xz平面中具有梯形横截面。第一块和第二块具有两个侧壁和平行于衬底的顶表面延伸的顶表面，并且梯形横截面限定底角。所述多个光栅单元格基于由所述参数H、n1、n3、n2和所述底角的值限定的纳米射流亮斑位置为来自电磁波的正的第一衍射级和负的第一衍射级提供非对称响应，所述电磁波垂直入射到所述衍射光栅上并且来自垂直xz平面中与所述衬底相对的一侧，其具有称为工作波长的自由空间波长λ，所述自由空间波长λ属于可见光域，并且其中所述纳米射流在具有不同折射率的介电材料之间的边缘处产生。
Description
1.技术领域
本公开涉及光学和光子学领域，并且更具体地涉及平面光学器件。
更具体地，但不排他地，本公开涉及衍射光栅，所述衍射光栅包含在近场区元件中的近场聚焦和射束形成，其可以用于各种各样的装置(例如，显示器，包括眼镜电子装置的波导中的光的输入和输出耦合以及用于AR(增强现实)和VR(虚拟现实)眼镜的头戴式显示器、用于照片/视频/光场相机的光学传感器、生物/化学传感器，包括芯片实验室传感器、显微镜、光谱学和计量系统、太阳能电池板等)。
近场区在此以及贯穿本文是指根据本公开的器件周围的区域，其尺寸可以从主体介质中的波长的一小部分延伸到约10个波长。它显然可以不限于非辐射(反应)区，而是还可以包括菲涅耳辐射、跃迁以及部分远场区，这取决于器件的尺寸。
2.背景技术
本部分旨在向读者介绍可能与下面描述和/或要求保护的本发明的各个方面相关的技术的各个方面。相信该讨论有助于向读者提供背景信息，以便于更好地理解本发明的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应就此而论来阅读，而不是作为对现有技术的承认。
随着纳米技术的出现，对探索纳米级光学世界的日益增加的兴趣已经提出了在亚波长尺度上操纵可见光的需求。研究人员已经做出了巨大的努力，以便为此目的将光学透镜的尺寸减小到微米和亚微米的尺度；然而，由于衍射极限，当透镜的尺寸接近光的波长时，它们的努力受到阻碍。
由于其厚度小和优异的聚焦能力，平面透镜已经被开发以代替其介电对应物作为范例纳米光子组件。迄今为止，已经研究了几种类型的平面透镜，例如波带片、纳米狭缝和纳米孔阵列、光子晶体和超颖表面。尽管在上述技术中使用了不同的术语，但是它们共享相同的聚焦原理，即通过弯曲入射平面波的相前而在焦点处产生相长干涉。实际上，电磁波的聚焦(即射束形成)是一种已建立的方式，用于局部地增加电场的幅度，并且以这种方式提高传感器(例如，电光传感器)的效率，该电光传感器的操作原理依赖于将在空间中以电磁波的形式传播的能量转换成输出电压或电流。
平面透镜的性能已经通过复杂的设计而优化。然而，迄今为止的大多数提议缺乏控制焦斑位置或改变电磁射束的取向的可能性。
有许多光学装置，其包括能够实现光聚焦和光偏转功能的部件。其中有用于各种照相/摄像机的数字图像传感器、用于AR/VR眼镜的光学组合器、以及作为各种光捕获和光处理装置的基本部分的光导系统。还存在能够同时执行两种功能的一些部件，诸如非对称介电透镜和衍射透镜以及衍射光栅。
转换光学器件(TO)允许通过使用具有可变空间参数的精心设计的材料以前所未有的、令人难以置信的方式控制电磁(EM)场。这种控制EM波的灵活性在设计具有难以实现的性能或特殊期望特性的新颖器件方面似乎是方便的，因此在波传播领域中引起了相当大的研究兴趣。
J.Yi等人在《科技报告》第6卷，文献号为18819(2016)的“基于全介电变换光学器件的透镜的相干射束控制(Coherent beam control with an all-dielectrictransformation optics based lens)”中提出了一种透镜，其提供改变电磁辐射射束的传播方向的可能性。
激励源通过与转换介质相对应的透镜进行传输，该转换介质使射束偏离法线方向。通过三维(3D)聚喷印刷技术制造呈现渐变介电常数分布的全介电紧凑型低成本透镜原型。辐射器阵列由使用标准光刻技术实现的四个平面微带天线组成，并且用作透镜的激励源。
一种能够在亚波长尺度中操纵可见光的可能方法使用表面等离子体；这些基于表面等离子体的透镜或所谓的等离子体透镜可以实现亚波长尺度的聚焦区。然而，为了完全实现等离子体透镜的潜力，不仅需要聚焦光，而且还需要以小尺度操纵和精确地定位光。Ya.Zhao等人2010年在《光学快报》第18卷第22期第23458页的论文“通过等离子透镜弯曲射束(Beam bending via plasmonic lenses)”目的在于提供一种更实用、易于实现的方法，以利用等离子体透镜实现定向调制。提出了可以使光沿着与传播方向横切的方向弯曲的等离子体透镜的设计原理。通过为等离子体透镜构造精心设计的弯曲相前来实现光弯曲。相前轮廓的控制通过两种机制实现：由透镜中的各个狭缝的宽度和形状以及这些狭缝的位置引起的相位延迟。所提出的单层透镜可以使用聚焦离子束(FIB)技术方便地制造，因此比它们的现有技术更可行。
使用等离子体天线结构的物体的近场光学捕获最近已经引起了极大的关注。然而，金属纳米结构还为中场和远场射束的一般波前工程提供紧凑平台。在Yo.C.Jun等人在“利用等离子体束整形天线结构的光学操纵(Optical Manipulation with PlasmonicBeam Shaping Antenna Structures)”(光电子学，第2012卷，文献ID 595646中的进展)中，分析了由等离子体束整形天线结构产生的光学力，并且表明它们可以用于一般的光学操纵，诸如沿着线性或弯曲轨迹引导介电粒子。非对称狭缝结构以一定角度产生准直射束。在任一侧的不同凹槽周期在离轴方向上产生相长干涉。作者还证明，不同的波长导致不同的干涉条件和射束方向。
超颖表面可以提供独特的解决方案以在紧凑和平面配置中实现复杂的光学系统。以空前的光谱分辨率同时聚焦和分散不同波长的光的离轴元透镜由M.Khorasannejad等人在“用于紧凑型高分辨率镜检的超分散离轴元透镜(Super-Dispersive Off-Axis Meta-Lenses for Compact High Resolution Spetrcoscopy)”(Nano Lett.，第16卷，第6号，3732(2016))中提出。.它们基于几何相位通过旋转的硅纳米鳍片设计，并且可以将光聚焦在大至80°的角度。
已经出现了各种策略来实现平面透镜的可调谐性，其中人们想要从预定结构操纵透射相前。例如，Liu Z.等人在“通过入射角调节等离子体透镜的焦点(Tuning the focusof a plasmonic lens by the incident angle)”(Appl.Phys.Lett.，第88卷，171108(2006))中演示了改变入射光的角度来调节等离子体透镜的焦点位置。在静态等离子体器件中包括有源可调谐性大大增强了它们的功能性。指数可变材料通常被并入等离子体器件和光学超颖表面中，包括液晶、二氧化钒、硅和其他材料。因此，可以操纵在渐变折射率金属透镜中激发的导模的光学相位，以便在光子器件的聚焦行为中实现一定程度的可调谐性。一种新颖的平面超透镜，其由填充有相变材料Ge2 SB2 Te5(GST)的狭缝阵列组成，也已经在Y.Chen等人的“用基于相变材料的平面透镜设计光的相前(Engineering the phase frontof light with phase-change material based planar lenses)”(Sci.Rep.，第5卷，文献号：8660(2015))中被提出用于设计远场聚焦图案。
然而，我们应当注意，光学波长范围中的等离子体透镜的功能性遭受高吸收损耗。还存在一些制造困难，降低了所提出的拓扑的有效性。使用介电材料可以找到能够实现控制电磁束的位置和偏离的所需功能的这个问题的可能解决方案。
还存在许多近场聚焦部件，其能够实现亚波长分辨率(这对于许多当今和未来的纳米光子应用是感兴趣的)，但是不能完全产生所需的光偏离功能。光子纳米射流(NJ)是在被照射透明介电对称体的阴影表面附近形成的窄的高强度光辐射通量，其直径与入射光辐射的波长相当或稍大。光子NJ形成的物理起源来自于衍射和穿过粒子的辐射净通量的干涉(建设性和破坏性)(参见例如S.-C.Kong等人的“实现光子纳米射流的光学数据存储(Photonic nanojet-enabled optical data storage)”(光学快报，第16卷，第18号，2008)，的专利文献US7394535，V.Pacheco-Pena等人的“介电长方体产生的太拉焦(Terajets produced by dielectric cuboids)”(Appl.Phys.Lett.，第105卷，084102，2014)和V.Pacheco-Pena等人的“太拉焦的多频聚焦和宽角度扫描(Multifrequencyfocusing and wide angular scanning of terajets)”(光学快报，第40卷，第2号，第245-248页，2015))。
光子NJ最显著和具体的特征是光场在纵向(相对于入射方向)上极高的空间局域化，与常规的高NA(数值孔径)聚焦光学器件相比，这可以导致光子射流的亚波长尺寸。NJ效应的共同兴趣主要是由于其在纳米光子学、生物学、医学和纳米电子学中的实际应用的约定所引起的。一些装置的功能原理基于NJ可以在微粒附近的局部空间区域中提供高强度的电磁场并且对场和材料来源的扰动具有高灵敏度的事实。
受控NJ特性的操纵、通过微透镜光学性质的变化产生更薄或更长且密集的射流的问题引起了越来越多的兴趣。最近的研究表明NJ形状和强度都显著地取决于生成微粒的尺寸和光学性质(参见例如A.V.Itagi等人的“光子纳米射流的光学器件(Optics ofphotonic nanojets)”(J.opt.Soc.Am.A，第22卷，2847(2005))，A.Heifetz等人的“位于米氏共振介电质微球的纳米射流内的金纳米球的亚衍射光学分辨率(Subdiffractionoptical resolution of d gold nanosphere located within the nanojet of a Mie-resonant dielectric microsphere)”(光学快报，第15卷，17334(2007)，和A.Devilez等人的“用介电微球对光的三维亚波长限制(Three-dimensional subwavelentgh confinementof light with dielectric microspheres)”(光学快报，第17卷，2089(209))。
此外，如果NJ由复合径向非均质颗粒产生，该复合径向非均质颗粒由具有不同折射率(参见例如Yu Shen等人的“由双层介电质微球形成的超长光子纳米射流(Ultralongphotonic nanojet formed by a two-layer dielectric microsphere)”(Opt.Lett.，第39卷，第14号，4120(2014年)，C.M.Riuz等人的“使用细长纳米射流检测嵌入的超亚波长薄介电质特征(Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric featuresusing elongated photonic nanojets)”，(光学快报，第18卷，第16号，16805(2010)，YuE.Ints Ge等人的“层状径向非均匀微米级球形粒子中的光子纳米射流计算(Photonicnanojet calculations in layered radially inhomogeneous micrometer-sizedspherical particles)”(J.Opt.Soc.Am.B，，第28卷，第8号，1825(2011))和G.Gu等人的“由填充液体的中空微圆柱产生的超长光子纳米射流(Super-long photonic nanojetgenerated from liquid-filled hollow microcylinder)”(Opt.Lett.，第40卷，第4号，625(2015))或分级折射率材料(X.Mao等人的“广义Luneburg透镜形成的可调谐光子纳米射流(Tunable photonic nanojet formed by generalized Luneburg lens)”(光学快报，第23卷，第20号，026426(2015))的几个同心壳组成，这样就可以显着改变NJ特性，特别是可以格外延长光子射流并进一步放大电场。
因此，偏离部件的设计的可用概念的概述揭示了缺乏能够提供光偏离功能的可靠解决方案。
因此，期望提供一种新型光学装置，其能够实现近场区中电磁射束的偏离功能。
还将期望提供这样的新的光学装置，其将完全满足新兴纳米光子应用在性能特性和制造难度方面的需要。换句话说，还希望提供这样一种新的光学装置，其将显示出与已建立的微米和纳米制造技术兼容的简单拓扑。
被优化以在非零级衍射级中实现最大光栅效率的衍射光栅可以在远场区中提供光偏离功能。为了设计新的衍射光栅，我们提出使用双材料微透镜，其使入射光在近场区中偏离并聚焦，以便在远场区中实现目标光分布。
3.发明内容
说明书中对“一个实施例”、“实施例”的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不一定包括该特定特征、结构或特性。此外，这些短语不一定是指相同的实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，认为结合其它实施例来影响这种特征、结构或特性是在本领域技术人员的知识范围内的，而不管是否明确描述。
因此，本公开提供了一种用于衍射光的衍射光栅，包括衬底和位于所述衬底表面上的多个光栅单元格。值得注意的是，光栅单元格在所述衬底表面上形成彼此平行或沿相同轴的光栅单元格的周期阵列，其中光栅的周期是d，其属于从300nm到1000nm的范围，其中所述衍射光栅与由轴x、y和z定义的三维笛卡尔坐标系相关联，其中z轴垂直于所述衍射光栅，其中在垂直xz平面中的光栅单元格的横截面包括具有第一折射率n1的均匀介电主介质，所述主介质嵌入具有沿x轴的第一宽度W1、沿z轴的高度H和第二折射率n2的第一介电材料的至少第一块，其沿所述z轴的边缘与具有沿所述x轴的第二宽度W2、沿所述z轴的所述高度H和第三折射率n3的第二介电材料的至少第二块直接接触，所述第一折射率n1、第二折射率n2和第三折射率n3彼此不同使得n1＜n3＜n2，其中所述第一块和所述第二块在所述垂直xz平面中具有梯形横截面，其中所述第一块和第二块具有两个侧壁和平行于所述衬底的顶表面延伸的顶表面，所述梯形横截面限定底角，并且其中所述多个光栅单元格基于由所述参数H、n1、n3、n2和所述底角的值限定的纳米射流亮斑(hot spot)位置为来自电磁波的正的第一衍射级和负的第一衍射级提供非对称响应，所述电磁波垂直入射到所述衍射光栅上并且来自在垂直xz平面中与所述衬底相对的一侧，其具有称为工作波长的自由空间波长λ，所述自由空间波长λ属于可见光域，以及其中所述纳米射流在具有不同折射率的介电材料之间的边缘处产生。
在变型中，所述横截面包括：
-第一边缘，其沿着所述z轴在所述主介质和所述第一块之间，所述第一边缘的目标在于在近场区中形成第一射束，所述第一射束是第一纳米射流；
-第二边缘，其沿着所述z轴在所述第一块和所述第二块之间，第二边缘的目标在于在所述近场区中形成第二射束，所述第二射束是第二纳米射流；
-第三边缘，其沿着所述z轴在所述第二块和所述主介质之间，所述第三边缘的目标在于在所述近场区中形成第三射束，所述第三射束第三纳米射流，以及其中由所述第一、第二和第三射束的至少部分组合产生的射束在所述垂直xz平面中沿所述x轴的位置偏移和/或与所述z轴的偏离角度取决于所述第一折射率n1、第二折射率n2和第三折射率n3、所述第一块和第二块在所述横截面中的所述宽度和高度、以及所述底角。
在变型中，所述第一射束是倾斜射束，并且所述第一射束在所述垂直xz平面中的投影的称为仰角的角位置，取决于所述第一折射率n1和所述第二折射率n2之间的比率。
在变型中，所述第二射束是倾斜射束，并且所述第二射束在所述垂直xz平面中的投影的称为仰角的角位置，取决于所述第二折射率n2和所述第三折射率n3之间的比率。
在变型中，所述第三射束是倾斜束，并且所述第三射束在所述垂直xz平面中的投影的称为仰角的角位置，取决于所述第一折射率n1和所述第三折射率n3之间的比率。
在型中，所述第一宽度W1和所述第二宽度W2相等，并且所述总射束沿所述x轴的所述位置偏移取决于所述第一折射率n1、第二折射率n2和第三折射率n3、以及所述第一块和第二块在所述横截面中的所述宽度和高度。
在变型中，所述第一块和第二块沿所述x轴的总宽度W＝W1+W2小于或等于所述工作自由空间波长W≤λ。
在变型中，所述第一介电材料和第二介电材料属于包括以下材料的组：
-玻璃；
-塑料；
-聚合物材料；
-氧化物；
-氮化物。
在变型中，所述均匀介电主介质嵌入一系列第一块和第二块。
在变型中，所述多个光栅单元格用分别属于范围[1，2.4]、[1.3，2.4]和[1.3，2.4]的参数n1、n3和n2来修改第一衍射级的非对称响应。
4.附图说明
参考以下描述和附图，可以更好地理解本公开，以下描述和附图以示例的方式给出并且不限制保护范围，并且其中：
-图1示出了表示根据本公开的实施例的衍射光栅单元格的元件的双材料结构在XZ平面中的横截面图；
-图2表示聚焦射束的偏离角度与图1的双材料结构的参数的相关性；
-图3(a)和3(b)分别示出了xz平面中的功率密度分布和由图1的第一示例性结构生成的多个NJ的示意性分布；
-图4(a)和3(b)分别示出了xz平面中的功率密度分布和由图1的第二示例性结构生成的多个NJ的示意性分布；
-图5示出了对于图1的示例性结构的折射率n3的不同值沿X坐标的功率密度分布；
—图6提供了具有非垂直边缘的双材料结构的横截面图；
—图7示出了图6的示例性系统的沿x轴的功率密度分布；
—图8(a)和(b)示出了根据本公开的一个实施例的光栅线或单元格的不同横截面；
-图9(a)和(b)示出了根据本公开的一个实施例的衍射光栅的不同的可能几何形状；
-图10表示在图1中表示为12的块的反射率和透射率相对于折射率之间的关系，并且入射波长λ＝620nm，d＝500nm，W1＝W2＝140nm，H＝250nm)；(a)n3＝n4＝1.3，(b)n3＝n4＝1.5，(c)n3＝n4＝1.8；
-图11(a，b)示出了具有以下参数的系统在xz平面中的时间平均功率流分布：λ＝620nm，d＝500nm，W1＝W2＝140nm，H＝250nm，n3＝n4＝1.3；(a)针对单个双材料微透镜；(b)针对具有双材料元件的衍射光栅的单元格；(c)NJ亮斑的X坐标与单个双材料元件的n2的关系；(d)NJ亮斑的Z坐标与单个双材料元件的n2的关系；(e)时间平均功率流的Z分量与单个双材料元件的n2的关系；
-图12示出了对于d＝500nm，n2＝2.0，W1＝W2＝140nm以及(a)n3＝n4＝1.3，(b)n3＝n4＝1.5的衍射光栅，在λ＝620nm处双材料元件的反射率和透射率与高度的关系；
-图13示出了具有双材料元件的衍射光栅的单元格在xz平面中的时间平均功率流分布，其具有以下参数：λ＝620nm，d＝500nm，W1＝W2＝140nm，n2＝2.0，n3＝n4＝1.5，(a)H＝390nm，(b)H＝1100nm；
-图14示出了对于d＝500nm，n3＝n4＝1.5，n2＝2.0，H＝250nm的衍射光栅，在λ＝620nm处双材料元件的组成部件(W1＝W2)的反射率和透射率与宽度的关系。
附图中的部件不一定是按比例的，重点在于说明本发明的原理。
5.具体实施方式
本公开的一般原理依赖于包含结构或单元格的衍射光栅的设计，其组合不同的介电材料以控制聚焦纳米射流束的位置，并改变NJ射束取向的方向。为了实现这种功能，提出了将具有不同折射率的两种或更多种介电材料以这样的方式组合，使得源自微结构的不同边缘(与不同的块/层相关联)的所有NJ个射束重新组合并且有助于形成从法线方向偏转的NJ射束。根据本发明，通过改变这种装置的组成部件的材料和尺寸，可以在期望的衍射级中实现最大效率。
换句话说，这种一般原理在于设计NJ射束形成元件(以下也称为微透镜)，其被认为是衍射光栅单元格的元件，作为在垂直截面中具有非对称系统且具有不同折射率的至少两种介电材料的组合。以下，具有这种拓扑的微透镜被称为基于不同材料的组合的微透镜，或者与专利文献EP3223063中提出的单材料NJ微透镜相比，也被称为双材料微透镜。这种变换导致聚焦的NJ射束的偏离。能够控制NJ射束方向的这种部件对于需要精确近场图案化和/或入射电磁波(例如可见光)传播方向的偏离的许多应用可能是感兴趣的。所提出的组合微透镜的潜在附加优点是改变NJ亮斑的位置的可能性。包含这种类型的元件的衍射光栅可以应用于例如玻璃或太阳能电池板。
所提出的NJ微透镜的改进的性能特性使得它们对于各种当今和未来的移动应用具有吸引力。
5.1拓扑结构
图1示出了表示根据本公开实施例的衍射光栅的组成部件的双材料微透镜或单元格10在XZ平面中的截面图。
这种双材料微透镜或单元格10在横截面图中对应于两个不同材料块12和13的组合。它们的横截面是矩形的(如图1所示)，但也可以是梯形或立方形。
参考标号为12和13的块分别具有嵌入在折射率为n1＜n3的均匀介电主介质11中的折射率n2和n3(n2＞n3)。为了简单起见，我们假设所有材料都是无损的和非色散的。
块12和13也可以放置在充当支撑层的介电衬底(未示出)上。
块12具有宽度W1和高度H，而块13具有宽度W2和相同的高度H。
后文，我们考虑块12、13具有平行于z轴的垂直边缘和平行于xy平面的顶/底表面，其对应于底角α＝90°。然而，也可以使用一些棱镜结构(具有任意底角)。底角值的变化在NJ射束辐射的控制中提供了额外的自由度。
双材料微透镜10被具有自由空间波长的入射电磁波14从下方照射，入射电磁波14具有自由空间波长λ，该自由空间波长λ是光学装置10的工作波长，在图1中，示出了具有平行于z轴的方向的电磁波。然而，我们更一般地考虑从XZ平面的下方入射的入射电磁波14。更一般地，双材料微透镜10由入射电磁波14从下方照射：实际上，单色(单波长)波可以被认为是具有不同偏振(即TE和TM偏振)的两个波的叠加。波14根据其传播方向和偏振来限定。
在图1的特殊示例中，透镜被线性偏振平面波E＝{0，1，0}照射。
根据本发明，为了管理NJ亮斑的位置、强度、NJ射束的偏离方向和角度，可以优化组成部件11、12和13的材料和尺寸。
实际上，本发明的发明人已发现，基于不同介电材料的组合的微透镜10上的平面波的衍射可导致NJ偏离法线方向。NJ射束的焦点位置、偏离角度、强度和形状可以通过改变折射率n1、n2、n3和组成部件/块12、13的尺寸(W1、W2、H)来控制，因此，NJ射束可以通过调整块12、13的参数而从系统的对称轴偏离。
在以下部分中研究组成块的形状、尺寸和折射率对产生的NJ的参数的影响。
5.2衍射光栅元件的原理和主要性能特征
在这一部分中，我们给出一组方程来估计NJ射束偏移和偏离的块12、13的材料和尺寸的最佳组合。亮斑位置和射束偏离方向对组成部件的尺寸(W1，W2，H)敏感。对于尺寸大于几个波长的微透镜10，菲涅耳衍射现象将具有巨大的影响。
5.2.1产生的NJ射束的主要特性
如在同一申请人的专利文献EP3223063中所证明的，射束形成现象出现在两种不同折射率的材料之间的边缘上，并且仅与该边缘相关。两种材料之间的折射率的比率有助于控制所产生的纳米射流束的仰角，该仰角是NJ射束在垂直xz平面中的投影的角位置。实际上，NJ射束辐射角由斯涅耳定律定义，并且可以使用近似公式确定：
其中
是临界折射角，n1是主介质11的折射率，以及n2是微透镜材料的折射率。从元件的相对侧辐射的两个相等NJ射束的交叉点确定NJ微透镜的焦距。在第一近似中，在单一材料元件的情况下，NJ透镜的焦距可以被表征为透镜内部和外部的介质的尺寸(宽度)和折射率比的函数。总辐射NJ射束将沿着系统的对称轴被引导。
这种微透镜的焦距可以估计为：
其中，
W1是单个元件的宽度。
如图1所示，当具有折射率n3和宽度W2的第二元件13与具有折射率n2的第一元件12直接接触连接时，来自两个元件12、13之间的边界的NJ射束辐射的角度将不会保持等于ΘB1。新的NJ射束将以该角度ΘB2折射到具有较高折射率的介质中。如果n2＞n3，则我们将角度确定为：
其中
在块13和主介质11之间的第三边缘处的NJ射束辐射角对应于：
这里
我们注意到，由具有不同折射率的材料11、12和13之间的三个边缘产生的这三个NJ的长度和强度将是不同的。最大强度和最小长度对应于具有折射率之间的最高比率的射束。在图1所示的示例性情况下，它将是以在块12和主介质11之间的边界处产生的以角度ΘB1折射的NJ。
在光学装置10的不同折射率的材料之间的边界处产生的三个纳米射流束可以部分或全部组合，以产生总聚焦射束，该总聚焦射束对应于由与装置10的三个边缘相关联的三个初级纳米射流束引起的干涉图案。
为了解释由双材料微透镜10辐射的总的NJ的行为，我们应该确定与系统10的边缘相关联的并且以角度ΘB1、ΘB2和ΘB3辐射的这些初始或初级NJ的相交点(在图1上表示为A、B和C)。
第一(NJ1)和第二(NJ2)NJ相交的点A具有坐标(WA，HA)，其中：
角度ΘB4表示对于具有宽度W1的第一块12，焦点A与平行于z轴的对称轴的偏离角度：
第一(NJ1)和第三(NJ3)NJ将在具有坐标(WB，HB)的点B处相交，其中：
角度ΘB5示出了对于具有总宽度W1+W2的整个微透镜10，焦点B与平行于z轴的对称轴的偏离角度：
必须注意，第二(NJ2)和第三(NJ 3)纳米射流将仅在
的情况下相交。在这种情况下，点C的坐标将被确定为：
以及宽度为W2的块13的焦点偏离的角度ΘB6将被确定为：
由于组成部件的几何尺寸的变化，对于组成部件12、13和主介质11的固定折射率，可以获得所有NJ在相同点相交的特定情况。获得的是，为了得到所有NJ在一个点的交点，比值W1/W2应当等于：
在这种情况下，所有三个射束NJ1、NJ2和NJ3输入到由微透镜10产生的总射束中。因此产生的总射束的强度将是最大的。
图2示出了对于固定值n2＝1.8和W1＝W2，偏离角度ΘB4-B6与折射率n3的相关性，对于选择的参数，折射率n3的临界值为
第二和第三纳米射流NJ2和NJ 3将仅在n3＞n3cr的情况下相交。
5.2.2参数研究
为了说明产生的总的NJ射束的特征，其对应于由与装置10的三个边缘相关的三个初级纳米射流束引起的干涉图案，使用CST(计算机模拟技术)软件对2D双材料微透镜10进行参数研究。我们假设系统10被线性偏振波14照射。
首先用相同尺寸的组成部件12、13(W1＝W2)模拟结构10。图3(a)示出了具有以下参数的微透镜10在λ＝550nm处在xz平面中的功率密度分布：n2＝1.8，n3＝1.3，W1＝W2＝300nm，H＝300nm(H＜HA)。微透镜10的主介质11是n1＝1的空气。在图3(a)中，可以观察到几个纳米射流束或亮斑。实际上，在图3(a)的示例中，三个初级纳米射流NJ1、NJ2和NJ3的相互作用产生三个射束30、31、32。射束31和32是次级射束，其在块12、13的外部观察。射束30是三个初级纳米射流束NJ1、NJ2和NJ3的干涉的结果，并且因此被认为是主要生成的聚焦射束，其在微透镜10内部产生，但是也在块12、13外部观察到。
当考虑图3(a)中的射束30时，可以观察到NJ射束向左偏移，因为所产生的NJ射束30的位置沿x轴偏移。
因此，通过生成的总的聚焦射束的位置的偏移，在此以及贯穿本文，其意味着沿着x轴的偏移。
图3(b)示出了由微透镜10产生的多个NJ的示意性分布。我们可以得出结论，对于
产生的总的NJ射束30的亮斑(对应于纳米射流束内的场强峰值)的位置将接近于点A(第一和第二NJ NJ1和NJ2交叉的点)。改变系统10的第二块13的折射率n3，我们可以调整生成的总的射束30的亮斑的位置。当增加折射率n3时，我们增加生成的NJ 30(减少WA)和HA的偏移。所得到的射束30将几乎对NJ3的影响不敏感。这个事实可以由NJ3的相对小的强度来解释。
图4(a)示出了具有以下参数的微透镜10在λ＝550nm处在xz平面中的功率密度分布：n2＝1.8，n3＝1.6，W1＝W2＝300nm，H＝300nm。微透镜10的主介质11是n1＝1的空气。
图4(a)和(b)示出了对于n3＝1.6
与图3相比，NJ射束30的亮斑的位置将改变。然而，其仍然接近确定焦点A与第一块12的对称垂直轴的偏离的点划线40(偏离角度等于ΘB4)。在这种情况下，我们应该考虑NJ3的影响。现在，这个纳米射流NJ3的强度将更接近第一射流(NJ1)的强度。实际上，生成的总的聚焦射束30的亮斑的位置将稍微偏离；现在它将在点划线40和点划线41之间，点划线41确定焦点C与第二块13的垂直对称轴线的位移(偏离角度等于ΘB6)。
图5中示出了在Z0＝450nm(Z0是距系统10的底部的距离)处对于折射率n3的不同值的沿X坐标的功率密度分布，虚线50对应于单个块微透镜10的情况(n3＝1.0，使得第二块13与主介质11合并)，其中生成的总的聚焦射束沿系统10的对称Z轴51取向；实线52示出了具有相同折射率(n2＝n3＝1.8)的两个块13、12的组合的相关性，生成的总的NJ沿着双层(双块)系统10的z对称轴53取向。
如前所述，组成元件12、13的尺寸对产生的总的NJ射束30的特性有很强的影响，分析了组成块12、13的高度H对产生的NJ参数的影响。获得了对于具有总宽度W＝W1+W2≤λ(W1＝W2)的系统10，NJ亮斑的位置针对介电材料的折射率n2、n3的所有值对于系统10的高度H不敏感。灵敏度随着宽度W的增加而增加。
5.2.3具有非垂直边缘的双材料微透镜的设计原理和主要性能特征
在本小节中，我们考虑具有非垂直边缘和平行于xy平面的顶/底表面的结构。让我们假设α1，2，3是双材料系统的底角。双材料NJ透镜的一般拓扑结构在图6中示出，该截面图可对应于嵌入在折射率为n1＜n2＜n3的均匀介电主介质中的双材料棱镜系统。
如发明人所证明的，对于具有底角αj＞90°-ΘBj(这里j＝1，2，3是边缘的数目)的系统，NJ射束辐射角可以使用近似公式(12)确定：
这里Θ`TIRj是从非垂直边缘折射的临界角。为了得到Θ`TIRj的近似公式，我们应当只考虑边缘位置的变化。结果，NJ射束辐射角可以被估计为：
为了解释由双材料微透镜10辐射的总的NJ的行为，我们应该将NJ辐射角的这些表达式代入公式(4)-(11)。
为了说明修改的微透镜拓扑对NJ的参数的影响，我们仿真具有W1＝W2的结构。图7示出对于具有
和H＜HA的双材料系统，在Z0＝430nm和λ＝550nm处对于折射率n3的不同值，沿X坐标的功率密度分布。我们可以看到，与具有法向基角的系统的情况一样，生成的总的射束30的亮斑的位置取决于系统10的第二块13的折射率。
在具有非垂直边缘的系统的情况下，保持了前面讨论的双材料系统的主要性能特征。
5.2.4结论
作为该参数研究的结论，因此，看起来根据本公开的光学装置10提供了一组独特的光学功能，包括聚焦和偏移，该光学装置基于依赖于不同介电材料的组合的非对称结构。此外，其示出了与已建立的平面微/纳制造方法，例如纳米压印和光刻兼容的简单拓扑结构。
这种光学装置10的操作依赖于这样的事实，即，源自微结构的不同边缘(与不同的块/层相关联)的三个NJ射束重新组合，并且有助于形成从法线方向偏转的总的NJ射束。
这种微透镜允许产生相对于xz平面中装置10的横截面的中心垂直对称轴的NJ射束偏移。
生成的总的聚焦射束的位置由装置10的组成部件的尺寸和折射率确定：对于具有相同尺寸(W1＝W2)且W≤λ的组成部件的系统，观察到NJ射束向具有较低折射率n3的部件13移动。改变折射率n3允许调整亮斑的位置(增大n3，我们减小微透镜的对称轴与亮斑的位置之间的距离)。对于介电材料的所有折射率值，NJ亮斑位置对系统的高度H不敏感。系统的总响应几乎与入射电磁波14的波长λ无关。
5.3包含双材料元件的衍射光栅的主要特性
这种通过一个双材料元件/结构使光偏离的性质可以有利地用于衍射光栅中。图8(a)示出具有嵌入到折射率为n1的介电材料中的双材料元件的衍射光栅。光栅常数或光栅的周期为d。线性偏振平面波在垂直于光栅的平面中从顶部垂直入射到光栅上。衍射射束的角度不受双材料元件结构的影响。它们由光栅的周期、入射平面波的波长和波入射角确定。因此，它们可以根据光栅方程来计算。
光栅的性能取决于入射波的偏振和元件的参数(尺寸、形式和材料)。与包含对称的单一材料元件(具有相同间距的常规结构)的衍射光栅不同，所提出的基于双材料元件的衍射光栅实现了强度的韭对称分布(Tj≠T-j，Rj≠R-j，...，其中j是衍射级数)，从而为期望的衍射级带来最大的光栅效率。在具有W≤λ的元件的情况下，最大输入对应于±1阶。
在图8(b)的实施例中，衍射光栅包括形成用于双材料元件的衬底的层。衬底的折射率是n4。图9(a)和9(b)中示出了光栅在3D空间中的可能实现。
图10(a)-(c)中绘出了计算得到的TE入射的反射率和透射率。它示出了对于具有衬底(图8(b))且具有周期d＝500nm的光栅以及具有以下参数的双材料元件：n3＝n4、W1＝W2＝140nm、H＝250nm，在λ＝620nm处对于0阶的反射率和对于0和±1阶的透射率。对双材料元件的2D阵列进行全波电磁分析(图9(a))。我们假设系统在X方向上是无限的。可以看出，改变折射率n2，我们可以修改光栅的性能，并且显著地增加1阶的折射透射率。对于具有1.3＜N3＜2.4且N3＜N2的介电材料，将观察到强度重新分布的效果。
为了理解入射到再分布现象中的NJ，我们考虑具有参数λ＝620nm，d＝500nm，W1＝W2＝140nm，H＝250nm，n3＝n4＝1.3和4个不同的折射率值n2的系统，对于放置在介电衬底上的单个双材料元件(图11(a))和放置在介电衬底上的双材料元件的周期性阵列(图11(b))，在xz平面中的功率流分布。位置(X和Z坐标(衬底和元件之间的边界对应于Z＝0，元件的对称轴对应于X＝0)图11(c)和图11(d))和放置在折射率n2的衬底上的单个双材料元件的情况下的NJ亮斑的峰值功率密度的相关性的分析示出，当亮斑的位置接近元件和衬底之间的边界时，衍射光具有最大值并且亮斑的强度最大(参见T1(图11(a))和时间平均功率流的Z分量(图11(e))的曲线之间的相似性。
此外，为了确定光栅效率对元件尺寸的依赖性，我们考虑高度H(图12)和宽度W1(图14)对入射到双材料元件光栅上的光的反射率和透射率的影响。可以看出，由于通过具有折射率n2的层的壁的射流波的折射，我们可以改变在元件和衬底之间的边界处的NJ射束的位置和方向(参见图13)，导致衍射效率在第1衍射级和第-1衍射级之间重新分布。最后，我们可以得出结论，对于无损材料，我们对高度H没有任何限制，元件W的宽度受到光栅周期
的限制，其中β′是对应于±1阶的角度。该元件的最佳尺寸是
其中λ1＝λ/n4(波在衬底材料中的长度)。
这种衍射光栅存在于平坦的浅结构中。优点是结构的制造容易和坚固。
该系统可以用于需要利用微结构来偏离图像或一些光的所有光学系统，优点是制造简单和坚固。典型的应用领域是平视显示器、用于最大化光收集的太阳能电池板、OLED显示器光提取等。
Claims (12)
1.一种用于衍射光的衍射光栅，包括衬底和位于所述衬底的表面上的多个光栅单元格，其中光栅单元格形成在所述衬底的表面上彼此平行或沿着相同的轴的光栅单元的周期性阵列，其中所述光栅的周期d属于从300nm到1000nm的范围，其中所述衍射光栅与由x轴、y轴和z轴定义的三维笛卡尔坐标系相关联，其中所述z轴垂直于所述衍射光栅，其中在垂直xz平面中的光栅单元格的横截面包括具有第一折射率n1的均匀介电主介质(11)，所述主介质(11)嵌入具有沿着x轴的第一宽度W1、沿着z轴的高度H和第二折射率n2的第一介电材料的至少第一块(12)，所述第一块(12)的边缘与具有沿所述x轴的第二宽度W2、沿所述z轴的所述高度H和第三折射率n3的第二介电材料的至少第二块(13)直接接触，所述第一折射率n1、第二折射率n2和第三折射率n3彼此不同使得n1＜n3＜n2，
其中，所述第一块(12)和所述第二块(13)在所述垂直xz平面中具有梯形横截面，
其中，所述第一块和所述第二块具有两个侧壁和平行于所述衬底的顶表面延伸的顶表面，所述梯形横截面限定底角，并且其中所述多个光栅单元格基于由所述高度H、所述折射率n1、n3、n2和所述底角的值限定的纳米射流亮斑位置来为来自电磁波的正第一衍射级和负第一衍射级提供非对称响应，所述电磁波垂直入射到所述衍射光栅上并且来自垂直xz平面中与所述衬底相对的一侧，所述电磁波具有称为工作波长的自由空间波长λ，所述自由空间波长λ属于可见光域，并且其中所述纳米射流在具有不同折射率的介电材料之间的边缘处产生。
2.根据权利要求1所述的用于衍射光的衍射光栅，其中，所述横截面包括：
-第一边缘，其沿着所述z轴在所述主介质(11)和所述第一块(12)之间，所述第一边缘的目标在于在近场区中形成第一射束，所述第一射束是第一纳米射流；
-第二边缘，其沿着所述z轴在所述第一块(12)和所述第二块(13)之间，所述第二边缘的目标在于在所述近场区中形成第二射束，所述第二射束是第二纳米射流；
-第三边缘，其沿着所述z轴在所述第二块(13)和所述主介质(11)之间，所述第三边缘的目标是在所述近场区中形成第三射束，所述第三射束是第三纳米射流，
以及其中由所述第一射束、第二射束和第三射束的至少部分组合产生的总射束在所述垂直xz平面中沿所述x轴的位置偏移和/或与所述z轴的偏离角度取决于所述第一折射率n1、第二折射率n2和第三折射率n3、所述第一块和第二块在所述横截面中的所述宽度和高度、以及所述底角。
3.根据权利要求2的用于衍射光的衍射光栅，其中，所述第一射束是倾斜射束，并且其中，所述第一射束在所述垂直xz平面中的投影的称为仰角的角位置取决于所述第一折射率n1和所述第二折射率n2之间的比值。
4.根据权利要求2的用于衍射光的衍射光栅，其中，所述第二射束是倾斜射束，并且其中，所述第二射束在所述垂直xz平面中的投影的称为仰角的角位置取决于所述第二折射率n2和所述第三折射率n3之间的比值。
5.根据权利要求2的用于衍射光的衍射光栅，其中，所述第三射束是倾斜射束，并且其中，所述第三射束在所述垂直xz平面中的投影的称为仰角的角位置取决于所述第一折射率n1和所述第三折射率n3之间的比值。
6.根据权利要求2到5中任一项所述的用于衍射光的衍射光栅，其中，所述第一宽度W1和所述第二宽度W2是相等的，并且其中，所述总射束沿所述x轴的所述位置偏移取决于所述第一折射率n1、第二折射率n2和第三n3、以及所述第一块和第二块在所述横截面中的所述宽度和高度。
7.根据权利要求6的用于衍射光的衍射光栅，其中，所述第一块和第二块沿所述x轴的总宽度W＝W1+W2小于或等于所述自由空间波长λ，W≤λ。
8.根据权利要求1到5中任一项所述的用于衍射光的衍射光栅，其中，所述第一介电材料和第二介电材料属于包括以下材料的组：
-玻璃；
-塑料；
-聚合物材料；
-氧化物；
-氮化物。
9.根据权利要求1到5中任一项所述的用于衍射光的衍射光栅，其中，所述均匀介电主介质嵌入一系列第一块和第二块。
10.根据权利要求1到5中任一项所述的用于衍射光的衍射光栅，其中，所述多个光栅单元格用分别属于范围[1，2.4]、[1.3，2.4]和[1.3，2.4]的参数n1、n3和n2来修改第一衍射级的非对称响应。
11.一种衍射光的方法，包括将光引导到根据权利要求1到5中任一项所述的衍射光栅上，所述光具有所述自由空间波长λ。
12.一种显示装置，包括波导衬底和耦合器，所述耦合器包括根据权利要求1至5中任一项所述的衍射光栅。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP18305263.8 | 2018-03-13 | ||
| EP18305263.8A EP3540479A1 (en) | 2018-03-13 | 2018-03-13 | Diffraction grating comprising double-materials structures |
| PCT/EP2019/055679 WO2019175010A1 (en) | 2018-03-13 | 2019-03-07 | Diffraction grating comprising double-materials structures |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112601990A CN112601990A (zh) | 2021-04-02 |
| CN112601990B true CN112601990B (zh) | 2022-12-27 |
Family
ID=62636126
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201980031384.4A Active CN112601990B (zh) | 2018-03-13 | 2019-03-07 | 包括双材料结构的衍射光栅 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11573356B2 (zh) |
| EP (2) | EP3540479A1 (zh) |
| KR (1) | KR102579589B1 (zh) |
| CN (1) | CN112601990B (zh) |
| WO (1) | WO2019175010A1 (zh) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3540479A1 (en) | 2018-03-13 | 2019-09-18 | Thomson Licensing | Diffraction grating comprising double-materials structures |
| EP3540499A1 (en) | 2018-03-13 | 2019-09-18 | Thomson Licensing | Image sensor comprising a color splitter with two different refractive indexes |
| EP3591700A1 (en) | 2018-07-02 | 2020-01-08 | Thomson Licensing | Image sensor comprising a color splitter with two different refractive indexes, and different height |
| EP3633438A1 (en) | 2018-10-01 | 2020-04-08 | InterDigital CE Patent Holdings | Inhomogeneous microlens device for near-field focusing, beam forming, and high-efficiency far-field device implementation |
| EP3671310A1 (en) * | 2018-12-18 | 2020-06-24 | Thomson Licensing | Optical manipulation apparatus for trapping or moving micro or nanoparticles |
| CN115398284A (zh) * | 2020-03-23 | 2022-11-25 | 交互数字Ce专利控股有限公司 | 非偏振光光栅入耦合器 |
| DE102020110173B4 (de) | 2020-04-14 | 2021-11-25 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Beugungsgitter und Verfahren zur Verwendung des Beugungsgitters |
| US20230185004A1 (en) | 2020-05-22 | 2023-06-15 | Interdigital Ce Patent Holdings, Sas | High color uniformity double material diffraction grating comprising step-like cavities |
| CN113054044B (zh) * | 2021-03-08 | 2022-08-05 | 合肥工业大学 | 一种双层周期不匹配旋转矩形光栅结构的单晶硅薄膜太阳能电池 |
| CN114114481B (zh) * | 2021-12-15 | 2023-05-26 | 中国科学院光电技术研究所 | 基于金属-介质条形阵列的超分辨透镜的制备方法及应用 |
| CN114721071A (zh) * | 2022-03-15 | 2022-07-08 | 天津山河光电科技有限公司 | 一种超表面光学器件及其制作工艺 |
| KR20240039963A (ko) * | 2022-09-20 | 2024-03-27 | 주식회사 엘지유플러스 | 광학 장치 및 이를 이용한 가상 이미지 형성 방법 |
Family Cites Families (75)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3718383A (en) | 1971-04-19 | 1973-02-27 | Eastman Kodak Co | Plastic optical element having refractive index gradient |
| JP3891628B2 (ja) | 1997-02-04 | 2007-03-14 | オリンパス株式会社 | 照明光学系及びこれを備えた内視鏡システム |
| JPWO2003007032A1 (ja) | 2001-07-10 | 2004-11-04 | 住友電気工業株式会社 | 光導波路型回折格子素子およびその製造方法 |
| WO2004027464A1 (ja) | 2002-09-19 | 2004-04-01 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | 回折光学素子とその形成方法 |
| FI115169B (fi) | 2003-05-13 | 2005-03-15 | Nokia Corp | Menetelmä ja optinen järjestelmä valon kytkemiseksi aaltojohteeseen |
| KR100597039B1 (ko) * | 2004-02-26 | 2006-07-04 | 에이에스엠엘 네델란즈 비.브이. | 높은 개구수 시스템을 위한 정적 및 동적 방사상 횡단 전자 편광기 디바이스, 리소그래피 투영장치 및 그 제조방법 |
| US7456384B2 (en) | 2004-12-10 | 2008-11-25 | Sony Corporation | Method and apparatus for acquiring physical information, method for manufacturing semiconductor device including array of plurality of unit components for detecting physical quantity distribution, light-receiving device and manufacturing method therefor, and solid-state imaging device and manufacturing method therefor |
| EP1932050A2 (en) | 2005-09-14 | 2008-06-18 | Mirage Innovations Ltd. | Diffractive optical device and system |
| JP4893200B2 (ja) | 2006-09-28 | 2012-03-07 | ブラザー工業株式会社 | 光束転送用の光学系、及び、これを用いた網膜走査型ディスプレイ |
| US8212859B2 (en) | 2006-10-13 | 2012-07-03 | Apple Inc. | Peripheral treatment for head-mounted displays |
| US7394535B1 (en) | 2007-03-20 | 2008-07-01 | Tokyo Electron Limited | Optical metrology using a photonic nanojet |
| WO2009083977A2 (en) | 2008-01-02 | 2009-07-09 | Mirage Innovations Ltd. | Optical device for relaying polychromatic light |
| WO2010045366A1 (en) * | 2008-10-17 | 2010-04-22 | The Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona | Apparatus and method of generating nearly non-diffracting beams from multimode optical fibers |
| EP2196729A1 (en) | 2008-12-12 | 2010-06-16 | BAE Systems PLC | Improvements in or relating to waveguides |
| JP2012015424A (ja) | 2010-07-02 | 2012-01-19 | Panasonic Corp | 固体撮像装置 |
| JP6007830B2 (ja) * | 2012-03-26 | 2016-10-12 | 旭硝子株式会社 | 透過型回折素子 |
| US8989535B2 (en) | 2012-06-04 | 2015-03-24 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Multiple waveguide imaging structure |
| US9140602B2 (en) | 2012-08-11 | 2015-09-22 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Nanophotonic light-field sensor |
| US8885997B2 (en) | 2012-08-31 | 2014-11-11 | Microsoft Corporation | NED polarization system for wavelength pass-through |
| WO2014034149A1 (ja) | 2012-09-03 | 2014-03-06 | パナソニック株式会社 | 固体撮像素子および撮像装置 |
| FI125270B (en) | 2012-09-20 | 2015-08-14 | Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy | Optical device with diffractive grating |
| JP6011826B2 (ja) | 2012-10-18 | 2016-10-19 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 固体撮像素子 |
| FR2998979B1 (fr) * | 2012-11-30 | 2017-09-08 | Office National Detudes Et De Rech Aerospatiales Onera | Dispositif de controle de la phase d'un front d'onde optique |
| JP2014134564A (ja) * | 2013-01-08 | 2014-07-24 | Canon Inc | 吸収型ワイヤグリッド偏光素子および光学機器 |
| US10295739B2 (en) | 2013-04-22 | 2019-05-21 | Cornell University | Athermal optical devices based on composite structures |
| US10371898B2 (en) | 2013-09-05 | 2019-08-06 | Southern Methodist University | Enhanced coupling strength grating having a cover layer |
| KR102276432B1 (ko) | 2014-04-07 | 2021-07-09 | 삼성전자주식회사 | 색분리 소자 및 상기 색분리 소자를 포함하는 이미지 센서 |
| KR102159166B1 (ko) | 2014-05-09 | 2020-09-23 | 삼성전자주식회사 | 색분리 소자 및 상기 색분리 소자를 포함하는 이미지 센서 |
| KR102261855B1 (ko) | 2014-06-13 | 2021-06-07 | 삼성전자주식회사 | 색분리 소자를 포함하는 적층형 이미지 센서 및 상기 이미지 센서를 포함하는 촬상 장치 |
| US9726794B2 (en) * | 2014-06-13 | 2017-08-08 | The Regents Of The University Of California | High index contrast grating structure for light manipulation and related method |
| GB2529003B (en) | 2014-08-03 | 2020-08-26 | Wave Optics Ltd | Optical device |
| KR20160023158A (ko) | 2014-08-21 | 2016-03-03 | 삼성전자주식회사 | 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서 및 그 제조방법 |
| KR102323204B1 (ko) * | 2014-08-22 | 2021-11-08 | 삼성전자주식회사 | 선명한 색 구현이 가능한 이미지 센서 및 그 제조방법 |
| US20160064172A1 (en) | 2014-09-02 | 2016-03-03 | Delta Systems, Inc. | Plunger switch assembly and method of operation |
| KR102307458B1 (ko) | 2014-10-20 | 2021-09-30 | 삼성전자주식회사 | 색분리 소자 및 그 제조 방법 및 이를 포함하는 이미지 센서 |
| US9513480B2 (en) | 2015-02-09 | 2016-12-06 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Waveguide |
| EP3113478A1 (en) | 2015-06-30 | 2017-01-04 | Thomson Licensing | Plenoptic foveated camera |
| US10431624B2 (en) | 2015-07-08 | 2019-10-01 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method of manufacturing image sensor including nanostructure color filter |
| WO2017031366A1 (en) * | 2015-08-19 | 2017-02-23 | President And Fellows Of Harvard College | Broadband multifunctional efficient meta-gratings based on dielectric waveguide phase shifters |
| EP3339938A4 (en) | 2015-08-20 | 2019-05-01 | Hoya Lens Thailand Ltd. | OPTICAL DEVICE |
| KR102501643B1 (ko) | 2015-09-24 | 2023-02-20 | 삼성전자주식회사 | 고굴절률 광학 기능층을 포함하는 광학 장치 및 상기 광학 장치의 제조 방법 |
| KR102519178B1 (ko) | 2015-09-25 | 2023-04-06 | 삼성전자주식회사 | 색분리 소자를 포함하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 촬상 장치 |
| KR102465995B1 (ko) | 2015-09-30 | 2022-11-25 | 삼성전자주식회사 | 색분할기 구조와 그 제조방법, 색분할기 구조를 포함하는 이미지센서 및 이미지센서를 포함하는 광학장치 |
| KR102556008B1 (ko) | 2015-10-06 | 2023-07-17 | 삼성전자주식회사 | 이미지 센서의 컬러 스플리터 |
| KR102409389B1 (ko) | 2015-10-06 | 2022-06-15 | 삼성전자주식회사 | 색분리 소자를 포함하는 이미지 센서 |
| KR102561097B1 (ko) | 2015-12-22 | 2023-07-28 | 삼성전자주식회사 | 색분리 소자 어레이, 이를 포함한 이미지 센서 및 전자 장치 |
| US9927614B2 (en) | 2015-12-29 | 2018-03-27 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Augmented reality display system with variable focus |
| US9720237B1 (en) | 2016-01-27 | 2017-08-01 | Microsoft Technology Licensing, Llc. | Mixed environment display device and waveguide cross-coupling suppressors |
| US9891436B2 (en) | 2016-02-11 | 2018-02-13 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Waveguide-based displays with anti-reflective and highly-reflective coating |
| EP3223063A1 (en) | 2016-03-24 | 2017-09-27 | Thomson Licensing | Device for forming a field intensity pattern in the near zone, from incident electromagnetic waves |
| EP3223062A1 (en) | 2016-03-24 | 2017-09-27 | Thomson Licensing | Device for forming at least one focused beam in the near zone, from incident electromagnetic waves |
| US9791703B1 (en) | 2016-04-13 | 2017-10-17 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Waveguides with extended field of view |
| US10197804B2 (en) | 2016-04-25 | 2019-02-05 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Refractive coating for diffractive optical elements |
| EP3240046A1 (en) * | 2016-04-29 | 2017-11-01 | BASF Coatings GmbH | Solar light collector |
| US10061124B2 (en) | 2016-04-29 | 2018-08-28 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Robust architecture for large field of view components |
| WO2018067074A1 (en) * | 2016-10-05 | 2018-04-12 | Agency For Science, Technology And Research | Diffractive optical element and method of forming thereof |
| EP3312646A1 (en) | 2016-10-21 | 2018-04-25 | Thomson Licensing | Device and method for shielding at least one sub-wavelength-scale object from an incident electromagnetic wave |
| EP3312674A1 (en) | 2016-10-21 | 2018-04-25 | Thomson Licensing | A photolithography device for generating pattern on a photoresist substrate |
| EP3312660A1 (en) | 2016-10-21 | 2018-04-25 | Thomson Licensing | Device for forming at least one tilted focused beam in the near zone, from incident electromagnetic waves |
| EP3532879B1 (en) | 2016-10-26 | 2022-11-23 | Magic Leap, Inc. | Outcoupling grating for augmented reality system |
| EP3549337A4 (en) | 2016-12-01 | 2020-01-01 | Magic Leap, Inc. | PROJECTOR WITH SCAN MATRIX ALTERNATOR |
| EP3548939A4 (en) | 2016-12-02 | 2020-11-25 | DigiLens Inc. | UNIFORM OUTPUT LIGHTING WAVEGUIDE DEVICE |
| CN106772734A (zh) * | 2017-01-03 | 2017-05-31 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅 |
| KR102707404B1 (ko) | 2017-02-15 | 2024-09-19 | 매직 립, 인코포레이티드 | 아티팩트 완화를 통합한 투사기 아키텍처 |
| EP3385219B1 (en) | 2017-04-07 | 2021-07-14 | InterDigital CE Patent Holdings | Method for manufacturing a device for forming at least one focused beam in a near zone |
| US10534115B1 (en) | 2017-09-22 | 2020-01-14 | Facebook Technologies, Llc | Gray-tone electron-beam lithography |
| CN115079514A (zh) | 2017-10-20 | 2022-09-20 | 奇跃公司 | 在压印光刻工艺中配置光学层 |
| EP3499278A1 (en) | 2017-12-13 | 2019-06-19 | Thomson Licensing | A diffraction grating structure comprising several grating lines |
| EP3540479A1 (en) | 2018-03-13 | 2019-09-18 | Thomson Licensing | Diffraction grating comprising double-materials structures |
| EP3540499A1 (en) | 2018-03-13 | 2019-09-18 | Thomson Licensing | Image sensor comprising a color splitter with two different refractive indexes |
| EP3588150A1 (en) | 2018-06-29 | 2020-01-01 | Thomson Licensing | An optical device comprising multi-layer waveguides |
| EP3591700A1 (en) | 2018-07-02 | 2020-01-08 | Thomson Licensing | Image sensor comprising a color splitter with two different refractive indexes, and different height |
| EP3671322A1 (en) | 2018-12-18 | 2020-06-24 | Thomson Licensing | Device for forming an outgoing electromagnetic wave from an incident electromagnetic wave |
| EP3671293A1 (en) | 2018-12-21 | 2020-06-24 | Thomson Licensing | An optical device comprising at least one diffraction grating having a grating pitch above the wavelength |
| US20220357579A1 (en) | 2019-09-19 | 2022-11-10 | Interdigital Ce Patent Holdings | Optical device for coupling a high field of view of incident light |
-
2018
- 2018-03-13 EP EP18305263.8A patent/EP3540479A1/en not_active Withdrawn
-
2019
- 2019-03-07 WO PCT/EP2019/055679 patent/WO2019175010A1/en unknown
- 2019-03-07 US US16/980,307 patent/US11573356B2/en active Active
- 2019-03-07 CN CN201980031384.4A patent/CN112601990B/zh active Active
- 2019-03-07 KR KR1020207027368A patent/KR102579589B1/ko active IP Right Grant
- 2019-03-07 EP EP19708329.8A patent/EP3765873B1/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2019175010A1 (en) | 2019-09-19 |
| US20210041609A1 (en) | 2021-02-11 |
| KR102579589B1 (ko) | 2023-09-15 |
| EP3540479A1 (en) | 2019-09-18 |
| EP3765873A1 (en) | 2021-01-20 |
| US11573356B2 (en) | 2023-02-07 |
| KR20200141443A (ko) | 2020-12-18 |
| EP3765873B1 (en) | 2023-09-13 |
| CN112601990A (zh) | 2021-04-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112601990B (zh) | 包括双材料结构的衍射光栅 | |
| US11163175B2 (en) | Device for forming a field intensity pattern in the near zone, from incident electromagnetic waves | |
| EP3529657B1 (en) | Device for forming at least one tilted focused beam in the near zone, from incident electromagnetic waves | |
| CN109073910B (zh) | 用于从入射电磁波形成近区中的至少一个聚焦波束的设备 | |
| Radko et al. | Plasmonic metasurfaces for waveguiding and field enhancement | |
| US8755661B2 (en) | Electromagnetic wave propagating structure | |
| US20220050352A1 (en) | Device for forming an outgoing electromagnetic wave from an incident electromagnetic wave | |
| US12044860B2 (en) | Inhomogeneous microlens device for near-field focusing, beam forming, and high-efficiency far-field device implementation | |
| CN111090147A (zh) | 一种集成纳米结构周期阵列的集成光波导 | |
| US20230185004A1 (en) | High color uniformity double material diffraction grating comprising step-like cavities |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |