CN113056697A - 用于近场聚焦和波束形成的装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种光学透明装置(100)，其包括具有折射率n₂的介电材料的主体部分(10)，所述装置被配置用于当所述装置被嵌入到具有比所述折射率n₂低的折射率n₁的介电材料中时，根据偶然照射所述装置的电磁波在所述装置的近区中形成场强分布。所述装置(100)进一步包括具有比所述折射率n₂高的折射率n₃的介电材料的至少一个插入件(11)，所述至少一个插入件被至少部分地插入所述主体部分中，所述折射率n₁不同于所述折射率n₃，并且其中公式(I)，W₂是所述插入件的半宽并且公式(II)，并且公式(III)，W₁是所述主体部分的半宽并且公式(IV)，λ是在所述具有折射率n₁的所述介电材料中传播的所述电磁波的波长。

Description

用于近场聚焦和波束形成的装置

1.技术领域

本公开总体上涉及用于聚焦电磁波(其中包括可见光)的装置，并且更具体地，涉及用于近场聚焦和波束形成的装置。本发明提供了一种借助于纯电介质微结构产生密集的光学纳米射流束的新方法。

2.背景技术

电磁波聚焦是一种已建立的方式，用于局部地增加场强的大小，并且以这种方式增强一系列装置的效率。常见的例子是电光传感器(图像传感器)，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。图像传感器目前处于从智能电话和平板装置到专业光场相机的几乎每个便携式电子装置的核心。光学存储器存储头、光笔和光学尖端可以是受益于局部控制和增强的场强的装置的其他示例。在不同波长范围的各种其它应用中使用相同的局部场增强现象。光学聚焦和光束形成对于被称为增强现实(AR)和虚拟现实(VR)眼镜的新兴技术是非常令人感兴趣的。这里，各种类型的折射和衍射透镜以及光束形成部件被用于将来自微显示器或投影仪的光引导到人眼，形成与用裸眼看到的(在AR眼镜的情况下)或由相机捕获的(在VR眼镜的情况下)物理世界的图像叠加的虚拟图像。

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。为了该目的，研究人员已经做出了巨大的努力，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，他们的努力受到阻碍。

由于平面透镜厚度小和优异的聚焦能力，其已经被开发以代替其介电对应物作为准几何纳米光子组件。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。这种平面透镜的性能已经通过复杂的设计而优化。基于以上所述，可以得出结论：

-存在对非复杂组件的特定需求(具有与已建立的微米和纳米制造技术兼容的较小制造难度的简单拓扑结构)，其能够实现更好的性能特性(例如，聚焦功能)；

-存在对具有管理微透镜焦斑的位置的附加可能性的元件的特定需求。

因此，需要一种新的装置，其能够实现所寻求的光聚焦和焦点移动功能，与平面微米和纳米制造技术兼容。

3.发明内容

根据本公开的一方面，公开了一种光学透明装置。这种装置包括具有折射率n₂的介电材料的主体部分，并且所述主体部分被配置为当该装置被嵌入在具有低于所述折射率n₂的折射率n₁的介电材料中时，根据偶然照射所述装置的电磁波在所述装置的近区中形成场强分布。所述装置进一步包括具有高于所述折射率n₂的折射率n₃的介电材料的至少一个插入件，所述至少一个插入件至少部分地插入所述主体部分中，所述折射率n₁不同于所述折射率n₃。

所述装置被配置成使得

W₂是所述插入件的半宽并且

并且

W₁是所述主体部分的半宽并且

λ是在所述具有折射率n₁的所述介电材料中传播时所述电磁波的波长。

在本公开中，提出了一种用于产生纳米射流(NJ)束的新型光学透明装置，例如微透镜。这种新型微透镜包括具有折射率为n₂的介电材料的主体部分和具有折射率为n₃的至少一个介电插入件，所述折射率为n₃不同于微透镜的主体部分的折射率。因此，获得非均质微结构。

该装置被配置成在该装置的近场中形成用于可见光波长并且更一般地用于任何光波长的纳米射流束。

有利地，根据本发明，以这样的方式组合两种不同的介电材料，即，使得源自非均质微结构的微透镜的不同边缘(微透镜的主体部分的边缘和插入件的边缘)的所有纳米射流束重新组合，并有助于形成单个高强度纳米射流束。

与仅具有折射率为n₂的主体部分嵌入折射率为n₁的介电材料中的单一材料元件相比，这种非均质微结构允许形成增大的场强分布。

上述非均质微结构可用于设计一种具有提高效率的新型近场聚焦装置。由这种非均质微结构形成的纳米射流束的特性由微透镜的主体部分和插入件的参数(透镜的主体部分和插入件、与具有折射率n₁的介电材料之间的折射率比、透镜的主体部分的尺寸/形状和插入件的位置)控制。这种非均质的微结构允许增强焦斑中的场强并控制焦斑位置。

所述装置的尺寸可以达到几个波长。这种非均质微结构的附加优点在于，近场聚焦装置的响应取决于电磁波偶然照射到的装置的一侧。因此，可以获得近场聚焦装置的非对称/各向异性性能特性。

根据本公开的一实施例，当所述电磁波从所述装置的底表面入射，且所述至少一插入件的顶部边缘位于所述主体的顶部边缘上方或与所述主体的顶部边缘重合时，所述至少一插入件的半宽W₂由下式给出：

其中，H₂对应于所述至少一个插入件的高度，H₁对应于所述主体部分的高度，W₁对应于所述主体部分的半宽，θ_B2由下式给出：

以及θ_B1由下式给出：

根据本公开的另一实施例，当所述电磁波从所述装置的顶表面入射，并且所述至少一个插入件的顶部边缘在所述主体部分的顶部边缘上方或与所述主体部分的顶部边缘重合时，所述至少一个插入件的半宽W₂由下式给出：

其中W₁对应于所述主体部分的半宽，θ_B2由下式给出：

以及θ_B1由下式给出：

根据上述实施例，微透镜的主体部分和插入件的焦距被调节，使得F_L＝F_inc，其中F_L和F_inc分别对应于主体部分的焦距和插入件的焦距。系统的响应取决于电磁波入射到装置上的一侧。使用上述给定公式设计插入件，可以实现纳米射流热斑中的最大强度。

根据本发明的另一实施例，所述主体部分的形状和所述至少一个插入件的形状属于包括以下各项的列表：长方体、圆柱体、圆锥体、棱柱体。

根据本发明的另一实施例，所述主体部分和所述至少一个插入件可以具有垂直边缘或非垂直边缘，例如在这种情况下，主体部分和插入件具有棱柱形状。所谓垂直边缘，在这里是指平行于xyz平面的z轴的边缘。这涵盖了在平面xy中具有与xy平面形成90°底角的边缘的形状。非垂直边缘在此意味着主体部分和插入件的形状具有与xy平面成不同于90°的底角。

根据本发明的另一实施例，所述至少一个插入件的顶部边缘与所述主体部分的顶部边缘重合，并且所述至少一个插入件的高度等于所述主体部分的高度。在这种情况下，装置的响应不依赖于平面波入射的一侧，即装置具有各向同性的性质。该实施例对应于插入件完全插入主体部分中并且主体部分和插入件的顶部边缘和底部边缘分别对应的情况。

根据本发明的另一实施例，所述至少一个插入件的顶部边缘在所述主体部分的顶部边缘上方，并且所述至少一个插入件的底部边缘在所述主体部分的顶部边缘下方，或者所述至少一个插入件的顶部边缘与所述主体部分的顶部边缘重合，并且所述至少一个插入件的高度小于所述主体部分的高度。

在这些变型中，装置的响应是各向异性的，即装置的响应取决于平面波入射的一侧。

在所述至少一个插入件的顶部边缘位于所述主体部分的顶部边缘上方并且所述至少一个插入件的底部边缘位于所述主体部分的顶部边缘下方的变型中，当插入件的顶部位于主体部分上方时，插入件部分地插入主体部分中。

在所述至少一个插入件的顶部边缘与所述主体部分的顶部边缘重合并且所述至少一个插入件的高度小于所述主体部分的高度的变型中，插入件完全插入到主体部分中。

根据本公开的另一实施例，所述主体和所述至少一个插入件共享至少一个相同的对称轴线。

根据本公开的另一实施例，垂直于所述至少一个插入件的顶表面的对称轴与垂直于所述主体部分的顶表面的对称轴偏移。

根据该实施例，插入件相对于微透镜的主体部分的对称轴偏移。以这种方式，获得纳米射流束偏移。这种偏移也可以表示为插入件的侧边缘之一(例如左边缘)相对于微透镜的主体部分的对称轴沿着横向方向的偏移。

根据本公开的另一实施例，所述主体部分的所述介电材料或所述至少一个插入件的所述介电材料属于包括以下各项的组：

-玻璃；

-塑料；

-聚合物材料；

根据本公开的另一方面，公开了一种系统，其包括具有折射率n₁的介电基质介质和嵌入在所述介电基质介质中的至少一个根据以上引用的任一个实施例的光学透明装置。

根据本公开的另一方面，公开了一种系统，其包括充当支撑层的具有折射率n₄的介电衬底和置于所述介电衬底上的根据以上引用的实施例中的任一个实施例的至少一个光学透明器件。根据该实施例，衬底的折射率将不影响纳米射流生成的角度。

根据本公开的另一方面，公开了一种光学传感器装置，其包括至少一个根据以上引用的实施例中的任一个实施例的光学透明装置或根据以上引用的实施例中的任一个实施例的系统。

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(a)示出了根据本公开的实施例的具有插入件的非均质纳米射流透镜的示例性拓扑结构，

-图1(b)示出了图1(a)中所示的示例性拓扑的横截面图，

-图2(a)和(b)示出了非均质微透镜的横截面图，其中对于来自微透镜底部的平面波入射(a)和来自微透镜顶部的平面波入射(b)，构成微透镜的不同部分的焦点被调节，

-图3示出对于从底部入射的电磁波，对于根据本公开实施例的系统，插入件的最佳宽度(W₂)对微透镜的主体部分的宽度(W₁)的依赖性，

-图4示出了对于具有n₁＝1,n₂＝1.6，W₁＝L₁＝300nm，W₂＝L₂＝150nm，H₁＝H₂＝400nm的示例性非均质纳米射流透镜的所选择的n₃的值，沿着z轴的功率密度分布，所述纳米射流透镜由λ＝550nm的平面波照射，

-图5示出了对于根据本公开的实施例的示例性系统，对于W₂＝L₂(a)的选定值、纳米射流透镜热斑的功率密度(b)和纳米射流热斑的位置(c)根据插入件的宽度W₂沿z轴的功率密度分布，

-图6示出了对于根据本公开的另一实施例的示例性系统，对于W2＝L2(a)的选定值、纳米射流透镜热斑的功率密度(b)和纳米射流热斑的位置(c)根据插入件宽度W₂沿z轴的功率密度分布，

-图7示出了对于根据本公开的示例性系统的不同实施例，根据插入件宽度W₂的纳米射流透镜热斑的功率密度(a)和纳米射流热斑的位置(b)，

-图8示出了对于根据本公开的示例性系统的不同实施例，根据波长的纳米射流透镜热斑(A)的功率密度和纳米射流热斑(B)的位置，

-图9示出了对于根据本公开的示例性系统的其他不同实施例，根据波长的纳米射流透镜热斑(a)的功率密度和纳米射流热斑(b)的位置，

-图10示出了对于来自微透镜(a)的底部的平面波入射和来自微透镜(b)的顶部的平面波入射，对于具有插入件的非均质微透镜的高度H₂的选定值，沿着z轴的功率密度分布；对于根据本公开实施例的示例性系统，根据高度H₂的纳米射流热斑的功率密度(c)和纳米射流热斑的位置(d)，

-图11示出了根据本公开的另一实施例的示例性系统的纳米射流热斑(a)的功率密度、根据高度H₂的纳米射流热斑(b)的位置，

-图12示出了根据本公开的实施例对于(a)-W_s＝W₂＝100nm以及根据本公开的另一实施例对于(b)W_s＝250nm的由具有n₁＝1，n₂＝1.6，n₃＝1.8，W₁＝L₁＝300nm，H₁＝H₂＝400nm，W₂＝L₂＝100nm的示例性非均质微透镜产生的纳米射流束，以及(c)示出了根据本公开的实施例的具有非对称插入件的非均质微透镜的横截面图，

-图13示出了对于根据本公开的实施例的系统，对于来自微透镜(a)的顶部的平面波入射和来自微透镜(b)的底部的平面波入射，对于非均质微透镜和所述插入件的插入位置(W_s)的选定值，在Z₀＝510nm处沿着x轴的功率密度分布，

-图14示出了对于根据本公开的实施例的系统，对于来自微透镜(a)的顶部的平面波入射和来自微透镜(b)的底部的平面波入射，对于具有插入件的非均质微透镜，在Z₀＝510nm处沿着x轴的功率密度分布，

-图15示出了对于根据本公开的实施例的示例性系统的(a)纳米射流热斑的Z坐标，(b)纳米射流热斑的X坐标，(c)根据插入位置W_s的纳米射流热斑中的功率密度，

-图16示出了对于根据本公开的实施例的示例性系统的(a)纳米射流热斑的Z坐标，(b)纳米射流热斑的X坐标以及(c)根据插入件上的折射率的纳米射流热斑中的功率密度，

-图17示出了根据本公开的实施例的利用底部平面波入射的长方体非均质纳米射流微透镜(a)和圆柱体非均质纳米射流微透镜(b)的示意图，

-图18示出了根据本公开的用于不同形式的插入件的微透镜的不同实施例的示意图，

-图19示出了根据本发明的另一实施例的非均质微透镜的示例性拓扑结构的横截面视图，

-图20示出了根据本发明的另一实施例的、倾斜平面波入射的非均质微透镜的示例性拓扑结构的横截面图，

-图21示出了根据本发明的另一个实施例的所述非均质微透镜的示例性拓扑的横截面图，其中所述非均质微透镜被放置在层衬底上。

5.具体实施方式

存在一数量的能够实现亚波长分辨率的近场聚焦组件(这对于许多当今和未来的纳米光子应用是感兴趣的)。光子纳米射流是在直径与入射光辐射的波长相当或稍大的被照射透明介电对称体的阴影表面附近形成的窄高强度光辐射通量。光子纳米射流形成的物理起源来自于衍射的和穿过颗粒的辐射净通量的干涉(建设性和破坏性)(S-C Kong，A.Sahakian，A.Taflove和V.Backman，“光子纳米射流使能的光学数据存储(Photonicnanojet-enabled optical data storage)”，光学期刊，第16卷，第18号，2008；Chen等人，“使用光子纳米射流的光学计量(Optical metrology using a photonic nanojet)”，美国专利US 7,394,535 Bl，2008；V.Pacheco-Pena，M.Beruete，I V.Minin和O.V.Minin，“由电介质长方体生产的太拉焦(Terajets produced by dielectriccuboids)”，应用物理快报，第105卷，084102，2014；V.Pacheco-Pena，M.Beruete，I.V.Minin和O.V.Minin，“太拉兹的多频聚焦和广角扫描(Multifrequency focusing and wide angular scanning ofterajets)”，光学快报，第40卷，第2期，245-248页，2015)。

光子纳米射流最显著和最具特异性的特征是光场在横向(相对于入射方向)上的极高空间局域化，与常规聚焦光学器件相比，这可以导致光子射流的亚波长尺寸。对纳米射流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承诺。一些装置的功能原理基于以下事实：纳米射流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都具有高灵敏度。受控纳米射流特性的操纵、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日益增长的兴趣。最近的研究已经表明，纳米射流形状和强度都显著地取决于产生的微粒的尺寸和光学性质(A.V.Itagi和W.A.Challener,“光子纳米射流的光学(Optics of photonicnanojets)”，美国光学学会杂志光学图像科学与视觉,第22卷,2847(2005)，A.Heifetz，J.J.Simpson，S.-C.Kong，A.Taflove,和V.Backman,“位于米氏共振介电微球纳米射流内的金纳米球的亚衍射光学分辨率(Subdiffraction optical resolution of a goldnanosphere located within the nanojet of a Mie-resonant dielectricmicrosphere)”，光学期刊，第15卷，17334(2007)，A.Devilez，N.Bonod，B.Stout，D.Gerard，J.Wenger，H.Rigneault,和E.Popov,“介电微球对光的三维亚波长限制(Three-dimensional subwavelength confinement of light with dielectricmicrospheres)”，光学期刊，第17卷，2089(2009))。

此外，如果纳米射流由合成径向非均质颗粒产生，所述合成径向非均质颗粒由几个具有不同折射率的同心壳组成(Yu.Shen，L.V.Wang，J.-T.Shen，“由两层介电微球形成的超长光子纳米射流(Ultralong photonic nanojet formed by a two-layer dielectricmicrosphere)”，光学快报，第39卷，第14期，4120(2014)，C.M.Ruiz,J.J.Simpson,“使用伸长的光子纳米射流检测嵌入式超亚波长薄介电特征(Detection of embeddedultrasubwavelength-thin dielectric features usingelongated photonicnanojets)”，光学期刊，第18卷，第16期,16805(2010)，Yu.E.Geints，A.A.Zemlyanov和E.K.Panina，“层状径向非均质微米级球形粒子中的光子纳米射流计算(Photonic nanojetcalculations in layered radially inhomogeneous micrometer-sizedsphericalparticles)”美国光学学会杂志，第28卷，第8期，1825(2011)，G.Gu，R.Zhou，Z.Chen，H.Xu，G.Cai，Z.Cai，M.Hong，“充满液体的空心微圆柱体产生的超长光子纳米射流(Super-long photonic nanojet generated from liquid-filled hollowmicrocylinder)”，光学快报，第40卷，第4期，625(2015))，或者所述合成径向非均质颗粒由渐变折射率材料组成(X.Mao，Ya.Yang，H.Dai，D.Luo，B.Yao，S.Yan，“由广义伦伯透镜形成可调光子纳米射流(Tunable photonic nanojet formed by generalized Luneburglens)”，光学期刊，第23卷，第20期，026426(2015))，那么纳米射流的特性可以显著改变，特别是，可以异常地延长光子射流。

根据本公开的一方面，引入了一种用于设计具有改进的效率(即，焦斑中的场强增强)和受控的焦斑位置的近场聚焦装置的新技术解决方案。所提出的拓扑结构的附加优点在于聚焦元件的非对称/各向异性(即，取决于电磁波入射的一侧)性能特性。

提出了一种具有介电插入件的新型纳米射流微透镜。所提出的解决方案基于微透镜的材料和插入件的材料的折射率之间的差异。

提出以这样的方式组合2种不同的介电材料，使得源自非均质微结构的不同边缘(主元件的边缘和插入件的边缘)的所有纳米射流束重新组合，并有助于形成单个高强度纳米射流束。

如图1示意性地示出，对于具有插入件的系统，结合具有不同折射率的两个或多个元件，可以实现期望的效果。纳米射流束的特性由构成部分的参数(即，透镜的主体部分、插入件和围绕微透镜的基质介质之间的折射率比、构成部分的尺寸/形状和插入件的位置)控制。此外，系统的非对称几何结构导致所提出的元件的响应依赖于电磁波入射的一侧。

通过对长方体形式的非均质微透镜的全波电磁分析，数值地评估所提出的具有插入件的非均质微透镜的性能，所述长方体的横截面在图1b中示出。为了简单起见，假设所有材料都是无损的和非色散的。发明人已经发现，在插入件具有比主体介质的折射率高的折射率(n₃＞n₂＞n₁)的情况下，平面波在非均质的微透镜上的衍射可以导致形成更密集的聚集光束(所谓的纳米射流)。光束的强度、尺寸和形状可以通过改变插入件的尺寸、形状(例如，底角)材料来控制。此外，通过改变构成部分的几何形状和材料参数(包括透镜的主体部分和插入件的相对定位)，可以控制纳米射流热斑的位置。

所提出的非均质纳米射流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，这些应用包括眼镜显示器(例如，AR和VR眼镜)、图像传感器(例如，用于照片/视频/光场相机)、高级光学通信和探测系统、存储器存储。所提出的非均质纳米射流微透镜对应于‘移动技术’支柱，然而，其可以应用于其它领域并且可以应用于更宽的波长范围，包括微波、毫米波、亚毫米波、IR和光学范围。

图1(a)示出了非均质纳米射流微透镜(100)的总体拓扑结构，其包括具有介电材料的主体部分(10)和至少部分地插入微透镜(100)的主体部分(10)中的具有介电材料的插入件(11)。这种非均质的纳米射流微透镜(100)是光学透明装置。

在图1所示的示例中，微透镜的主体部分和插入件是长方体，插入件的顶表面与微透镜的顶表面重合，并且微透镜和插入件共用与z轴平行的相同对称轴。

微透镜和插入件的尺寸如下：

-H₁、H₂分别是所述微透镜和所述插入件沿z轴的高度，

-W₁、W₂分别是所述微透镜和所述插入件沿x轴的半宽，

-L₁、L₂分别是所述微透镜和所述插入件沿y轴的半长。

图1(b)示出了具有插入件的非均质微透镜的横截面图。

微透镜和插入件的其它形状也是可能的，图1(b)中的横截面图可以对应于嵌入在折射率为n₁且n₁<n₂的均质介电基质介质中的肋状、长方体或圆柱体。假设微透镜具有折射率为n₃且n₃＞n₂的介电插入件(11)。具有折射率n₃的插入件的材料和尺寸可以根据主体部分的参数任意选择和优化，以便由于与微透镜构成部分的边缘相关联的纳米射流束的重新组合而在近区中产生的束达到最大场强增强。这种系统的总响应取决于平面波照射的一侧，如以下进一步描述的图2中所示。

研究了这种类型的微透镜的插入件的尺寸、位置和折射率对所产生的纳米射流的强度和长度的影响。

对于所提出的拓扑结构，插入件的顶部边缘的位置被固定以与微透镜的主体部分的顶部边缘的位置重合。但是，插入件的高度可以不同，并且插入件的顶部边缘可以高于主体部分的顶部边缘，如将在下面进一步示出的。为了简化，这里仅对构成部分的顶部边缘重合并且插入件的高度等于或小于微透镜的总高度的情况进行数值研究。

此后，假设所述结构具有平行于z轴的垂直边缘和平行于xy平面的顶部/底部表面，xy平面对应于α＝90度的底角。然而，也可以使用一些棱镜结构(具有任意底角)。底角值的变化在控制纳米射流束辐射方向方面提供了额外的自由度。

在近似中，具有插入件的纳米射流透镜的焦距可以根据微结构内部和外部的介质的尺寸(宽度或半径)和折射率比的函数被确定。让我们给出一组等式来估计在n₃＞n₂＞n₁的系统的情况下用于最大增强所产生的纳米射流的场强的构成部分的最优尺寸。

我们证明光束强度和热斑位置对插入件的尺寸和折射率的值敏感。这种效应通过与微透镜的主体部分的底部边缘相关联的纳米射流束和与插入件的底部边缘相关联的纳米射流束的干涉来解释(对于电磁波从微透镜的底部入射的情况)。在这种情况下，两个光束输入到总的生成光束中。尺寸大于入射波的几个波长的非均质系统的总响应表示纳米射流和菲涅耳衍射现象之间的相互作用。

束形成现象仅与系统的边缘相关，并且纳米射流束辐射角由斯涅尔定律定义(A.Boriskin和L.Blondé，“用于在近区中由入射电磁波形成场强图案的装置(Device forforming a field intensity pattern in the near zone,from incidentelectromagnetic waves)”，EP3223063)。

因此，微透镜的构成部分的纳米射流束辐射角可以根据主介质的折射率与透镜的主体部分的材料(对于插入件，假设主介质是微透镜的主体部分的材料)的折射率之间的比率、以及元件的底角被确定。在这里公开的实施例中，我们分析具有垂直边缘的元件，即，主体部分的底角等于90°，以及插入件的底角等于90°。组件的底角被定义为其侧边和x轴之间的角度。这里，如图1(a)所示，假设侧边是垂直的并且平行于z轴。

在下文中，我们考虑入射电磁平面波是垂直于微透镜的底部/顶部平面边缘的平面波。其它实施例可以包括倾斜平面波入射。入射电磁波具有包括在390至700nm范围内的波长。

对于折射率为n₂的微透镜的主体部分，可以使用以下近似公式来确定纳米射流束辐射角Θ_B1(如图1(b)所示)：

其中

是临界折射角。

透镜的焦距可以被估计为：

F_L＝W₁γ₁， (2)

其中，

W₁是微透镜的主体部分的半宽(半径)(图1)。

为了增加纳米射流热斑中的强度，应当调整构成元件的焦距，使得

F_L＝F_inc。 (3)

其中F_L所述焦距是微透镜的主体部分(10)的焦距，并且F_inc是插入件(11)的焦距。图2示出了用对于底部的平面波入射(图2(a))和用于从微透镜的顶部的平面波入射(图2(b))，具有调整的组成部分的焦点的非均质微透镜的横截面图。

这里F_inc＝W₂γ₂是插入件的焦距，W₂是插入件的半宽(半径)(图1)，

Θ_B2是插入件的纳米射流束辐射角(如图1(b)所示)，和Θ_TIR2是插入件的临界折射角。

结果，我们可以通过下式得到插入件的最佳尺寸的公式，以得到所产生的纳米射流的最大强度：

应当注意，如果H₁≠H₂，则系统的总响应取决于电磁波入射的一侧。它涉及插入件的边缘相对于主元件的边缘的不同位置(见图2中2个不同入射侧的示意图)。因此，这种类型的元件可以被称为各向异性纳米射流微透镜。

在电磁波从微透镜顶部入射的情况下，为了获得所产生的纳米射流的最大强度，插入件的最佳尺寸将被确定为：

我们可以看出，对于从微透镜顶部入射的电磁波(图2(b))，插入件的最佳宽度不取决于组成部分的高度。

对于具有这些参数的系统：n₁＝1，n₂＝1.6，n₃＝1.8，H₁＝800nm，对于从底部入射的电磁波，由等式(4)给出的插入件的最佳宽度(W₂)与主体部分的宽度(W₁)的相关性在图3中示出。曲线1-3对应于插入件的不同高度：1-H₂＝800nm；2-H₂＝600nm；3-H₂＝400nm。

如前所述，在从顶部入射的情况下，对于不同的H₂，最佳W₂将是相同的，并且曲线1也将确定在这种情况下的依赖性W₂(W₁)。

为了观察强烈的纳米射流效应，微透镜的尺寸应该具有一些限制。这样，W₂应该高于或等于λ1/4，其中λ1＝λ/n₃，即λ1是插入件材料中的波长。系统的总尺寸可以高达几个波长。

为了获得纳米射流热斑的最大强度，设计规则是我们应当采用总高度接近焦距(例如，H₁→F_L)的元件。如果插入件的顶部边缘高于主体部分的顶部边缘，则在电磁波从微透镜的底部入射的情况下，我们应该仅关注插入件的总高度(H₂)。它应该小于插入件的焦距(H₂′<F_inc)。对于从微透镜顶部入射的电磁波，插入件的最佳宽度将被确定为

这种结构(在顶层的表面上具有焦点)对于需要将透镜直接连接到接收或发射元件上的许多应用是特别有利的，所述接收或发射元件将被放置在透镜的焦点上。

让我们分析使用电磁场仿真软件包CST微波工作室(CST MICROWAVE STUDIO)获得的数据。透镜(10)被假定为具有相同形状的电介质插件(11)的长方体形状，并且被线偏振平面波E＝{0，1，0}照射。所有呈现的仿真都是针对3D问题进行的。

下面给出对称系统的结果，即插入件和微透镜共享平行于z轴的相同对称轴，如例如图1(a)中所示。

图4示出了对于n₃的选定值，沿z轴的功率密度分布。非均质纳米射流透镜具有n₁＝1，n₂＝1.6，W₁＝L₁＝300nm，W₂＝L₂＝150nm，H₁＝H₂＝400nm，并被λ＝550nm的平面波照射。虚线曲线对应于针对无插入件的具有n_c＝1.6的均质微透镜的参考解。

对于折射率n₃(图4)的不同值，评估沿z轴的功率密度分布的相关性，我们可以推断微透镜的热斑中的功率密度随着插入件材料的折射率而升高。用于没有插入件的均质微透镜的参考解由虚线标记。可以看出，通过增加n₃，热斑可以移动到更靠近系统的顶表面。从n₃＝1.8开始，我们可以观察到系统内增强的纳米射流热斑。换句话说，纳米射流热斑在系统的顶表面下方。

如前所述，在具有最佳尺寸的系统的情况下(参见等式(4)-(6))，我们可以在纳米射流热斑中获得最大功率密度。

图5示出了具有插入件(H₁＝H₂，W₁＝L₁，W₂＝L₂和

)的系统的性能：图5(a)示出了对于W₂＝L₂的选定值沿z轴的功率密度分布，图5(b)示出了纳米射流热斑的功率密度，以及图5(c)示出了根据插入件宽度W₂的纳米射流热斑的位置。具有n₁＝1，n₂＝1.6，n₃＝1.8，W₁＝L₁＝300nm，H₁＝H₂＝400nm的非均质纳米射流透镜被λ＝550nm的平面波照射。在图5(a)中，浅灰色虚线曲线对应于n_c＝1.6的均质微透镜的参考解，深灰色虚线曲线对应于n_c＝1.8的均质微透镜。

在图5(a)中，可以看出，峰值功率密度分布对应于使用等式(4)计算的最佳宽度W_2opt＝150nm(图5b)。与n₂＝1.6(图5b中的水平虚线)的均质元素相比，具有插入件的最佳宽度的系统的功率密度的增加为约18％。此外，它甚至高于n₂＝1.8的均质元素的功率密度(图5B中的黑点虚线水平线)。

图5c中示出了焦斑位置对W₂的依赖性，其中灰色虚线和黑色虚线曲线示出了使用上述提供的公式获得的依赖性。垂直虚线标记了该曲线的交叉点。我们可以得出结论，对于具有插入件的系统，焦点位置将更接近表面。此外，我们已经观察到，随着峰值功率密度的增加，纳米射流束在半功率处的束宽度减小。

图6中示出了对于较大元件(2W₁>λ)的类似依赖性，图6示出了具有插入件(H₁＝H₂，W₁＝L₁，W₂＝L₂)的系统的性能。图6(a)示出了对于W₂＝L₂的选定值沿z轴的功率密度分布。图6(b)示出了根据插入件宽度W₂的纳米射流热斑的功率密度，图6(c)示出了根据插入件宽度W₂的纳米射流热斑的位置。具有n₁＝1，n₂＝1.6，n₃＝1.8，W₁＝L₁＝800nm，H₁＝H₂＝800nm的非均质纳米射流透镜被λ＝550nm的平面波照射。

在图6(a)中，浅灰色虚线曲线对应于n_c＝1.6的均质微透镜的参考解，暗虚线曲线对应于n_c＝1.8的均质微透镜。

可以看出，峰值功率密度分布对应于使用等式(4)计算的最佳宽度W_2opt＝400nm(图6b)。对于所选参数，与n₂＝1.6的均质元件相比，具有最佳插入件宽度的系统的功率密度增加几乎为200％。焦斑位置对W₂的依赖性具有非单调特性。

应当注意，由于菲涅耳衍射现象的高影响，在较大元件的情况下，将观察到数值结果和理论结果之间的一些差异。特别地，功率密度和热斑位置对系统的高度相当敏感(见图7，对于系统高度的3个不同值，H₁＝H₂)。对于

(图8)和2W₁>λ(图9)，功率密度和热斑位置对入射波波长的依赖性表明这里公开的系统是色散的。

图7示出了具有插入件的系统的性能(H₁＝H₂，W₁＝L₁，W₂＝L₂)：图7(a)示出了根据插入件宽度W₂的纳米射流热斑的功率密度，图7(b)示出了根据插入件宽度W₂的纳米射流热斑的位置。非均质纳米射流透镜，具有n₁＝1，n₂＝1.6，n₃＝1.8，W₁＝L₁＝800nm；1-H₁＝H₂＝800nm，2-H₁＝H₂＝600nm，3-H₁＝H₂＝400nm，由λ＝550nm的平面波照射。

图8示出了具有插入件的系统的性能(H₁＝H₂，W₁＝L₁，W₂＝L₂)：图8(a)示出了纳米射流热斑的功率密度，图8(b)示出了作为波长的函数的纳米射流热斑的位置。非均质纳米射流透镜具有这样的参数：n₁＝1，n₂＝1.6，n₃＝1.8，W₁＝L₁＝300nm；W₂＝L₂＝100nm；1-H₁＝H₂＝400nm,2-H₁＝H₂＝300nm。

图9示出了具有插入件的系统的性能(H₁＝H₂，W₁＝L₁，W₂＝L₂)：图9(a)示出了纳米射流热斑的功率密度，图9(b)示出了作为波长的函数的纳米射流热斑的位置。非均质纳米射流透镜具有这样的参数：n₁＝1，n₂＝1.6，n₃＝1.8，W₁＝L₁＝800nm；W₂＝L₂＝400nm；1-H₁＝H₂＝800nm,2-H₁＝H₂＝600nm,3-H₁＝H₂＝400nm。

作为公式分析的结果，我们可以得出结论，利用底平面波入射的非均质微透镜的性质取决于插入件的高度(H₂)。在图10中，我们呈现了对于从具有

的系统的底部(图10a)和从顶部(图10b)入射电磁波，对于高度H₂的选定值，沿z轴的模拟功率密度分布。非均质纳米射流透镜具有n₁＝1，n₂＝1.6，n₃＝1.8，W₁＝L₁＝300nm，W₂＝L₂＝150nm，H₁＝400nm，并且被λ＝550nm的平面波照射。图10(a，b)中的灰色虚线对应于没有插入件的均质微透镜的参考解。

在图10(c)和(d)中，我们可以看到对于从系统底部和从顶部入射的波，分别根据高度H2的纳米射流热斑的功率密度和纳米射流热斑的位置。图10(c，d)中的曲线1是从微透镜底部入射的平面波，图10(c，d)中的曲线2是从微透镜顶部入射的平面波。

我们可以看到，在两种情况下，纳米射流束的强度随着插入件的高度而升高(功率密度的峰值对应于H₁＝H₂)。但是对于0<H₂<H₁，非均质系统的响应取决于平面波入射的侧面。让我们注意到，增加系统的尺寸(见图11的2W₁>λ)我们可以增加在波入射的不同侧的热斑中的功率密度之间的差异，并且减小纳米射流热斑的位置之间的差异。对于具有n₁＝1，n₂＝1.6，n₃＝1.8，W₁＝L₁＝800nm，W₂＝L₂＝400nm，H₁＝800nm，且由λ＝550nm的平面波照射的非均质纳米射流透镜，图11(a)示出了根据高度H₂纳米射流热斑的功率密度，图11(b)示出了根据高度H₂的纳米射流热斑的位置。曲线1对应于从微透镜底部的平面波入射，曲线2对应于从微透镜顶部的平面波入射。

下面我们给出非对称体系的结果。图12(a，b)说明对称(图12a)及非对称(图12b)微透镜在λ＝550nm下xz平面中的功率密度分布。非均质微透镜具有以下参数：n₁＝1，n₂＝1.6，n₃＝1.8，W₁＝L₁＝300nm，H₁＝H₂＝400nm，W₂＝L₂＝100nm，图12(a)-W_s＝W₂＝100nm，图12(b)-W_s＝250nm，并被λ＝550nm的平面波照射。

图12(c)示出了具有非对称插入件的非均质微透镜的横截面图。这里，W_s是插入件的左边缘相对于主元件的对称轴线的位置，如图12(c)所示。如果W_s≠W₂，则系统是非对称的。在非对称情况下，可以观察到轻微的纳米射流束偏移。纳米射流热斑偏移可以由主体部分的底部边缘产生的纳米射流的功率密度不等来解释。这种不等涉及由插入件的底部边缘产生的纳米射流的额外输入。

需要注意的是，对于

系统的响应将仅略微依赖于W_s。在W_s的不同值的情况下，对于相反方向的电磁波照射的各向异性非均质系统，沿X轴的功率密度依赖性。图13示出了对于具有插入件的非均质微透镜的插入位置W_s的选定值，对于来自微透镜底部的平面波入射(a)和来自微透镜底部的平面波入射(b)，在Z₀＝510nm处沿着X轴的功率密度分布。非均质纳米射流透镜具有n₁＝1，n₂＝1.6，n₃＝1.8，W₁＝L₁＝300nm，W₂＝L₂＝100nm，H₁＝400nm，H₂＝300nm，并且被λ＝550nm的平面波照射。

我们证明，增大插入件的折射率n₃，我们可以增大响应的差异，如图14所示，其示出对于具有插入件的非均质微透镜(从顶部(a)和从底部(b))的选定值，在Z₀＝510nm处沿x轴的功率密度分布。非均质纳米射流透镜具有n₁＝1，n₂＝1.6，W₁＝L₁＝300nm，W₂＝L₂＝100nm，H₁＝400nm，H₂＝300nm，W_s＝150nm，并被λ＝550nm的平面波照射。

参数W_s的影响对于较大的元件将高得多，如图15-16对于2W₁>λ的情况所示。对于具有n₁＝1，n₂＝1.6，n₃＝1.8，W₁＝L₁＝800nm，W₂＝L₂＝400nm，H₁＝800nm，H₂＝400nm且被λ＝550nm的平面波照射的非均质纳米射流透镜，图15示出了(a)-根据插入位置W_s的纳米射流热斑的Z坐标；(b)-根据插入位置W_s的纳米射流热斑的X坐标；以及(c)-根据插入位置W_s的纳米射流热斑中的功率密度。曲线1对应于从微透镜底部的平面波入射，曲线2对应于从微透镜顶部的平面波入射。

对于具有n₁＝1，n₂＝1.6，W₁＝L₁＝800nm，W₂＝L₂＝400nm，W_s＝600nm，H₁＝800nm，H₂＝400nm且被λ＝550nm的平面波照射的非均质纳米射流透镜，图16示出了(a)-根据插入件上的折射率的纳米射流热斑的Z坐标；(b)-根据插入件上的折射率的纳米射流热斑的X坐标；以及(c)-根据插入件上的折射率的纳米射流热斑中的功率密度。曲线1对应于从微透镜底部的平面波入射，曲线2对应于从微透镜顶部的平面波入射。

在这些图15-16中，S_x,z是纳米射流热斑的坐标。可以看出，非对称系统的响应显著地取决于波入射的一侧。

在上述实施例中，考虑到微透镜的主体部分和插入件具有垂直边缘，即平行于Z轴的边缘。

在下文中，根据另一实施例，我们考虑具有非垂直边缘和平行于xy平面的顶部/底部表面的结构，即该结构的底角不超过90°。让我们假设α是微透镜的主体部分的底角，并且α′是插入件的底角，如图19所示，其示出了具有插入件的非均质微透镜的横截面图。该横截面图可以对应于嵌入在折射率为n₁＜n₂的均质介电基质介质中的棱镜系统。

已经获得，对于具有非垂直边缘的系统，可以使用近似公式来确定纳米射流束辐射角：

其中θ′_TIR1是从非垂直边缘折射的临界角。针对θ′_TIR1为了得到所述近似公式，必须考虑边缘位置的变化。结果，针对主体部分，纳米射流束辐射角可以估计为：

以类似的方式，针对插入件，纳米射流束辐射角可以被确定为：

其中θ′_TIR2是从插入件的非垂直边缘折射的临界角。因此，针对插入件，纳米射流束的辐射角可被估计为：

其中α′是插入件的底角，在该实施例中，底角不同于90°。

因此，对于具有带有非垂直边缘的结构的微透镜，插入件的最佳基底宽度(底部宽度)W₂因此可以通过使用以上等式(4)(5)或(6)(取决于主体部分和插入件的高度以及平面波入射的一侧)针对主体部分和插入件的纳米射流束的射束辐射角的估计来获得。

现在让我们考虑平面波入射的角度对所产生的纳米射流的特性的影响。我们假设θ_i是电磁波入射角，如图20所示，其示出了具有倾斜平面波入射的非均质微透镜。

为了在平面波倾斜入射到折射率为n₂的主体部分上的情况下获得纳米射流的射束辐射角的近似公式，我们应该考虑到针对系统的相对边缘的辐射角θ′_B1和θ"_B1不相等(见图20)。结果，针对主体部分，我们可以具有：

以类似的方式，针对插入件，纳米射流束辐射角可以被确定为：

因此，在平面波斜入射的情况下，系统的最佳参数可以从以下关系式获得：

其中

必须注意，在倾斜入射的情况下，为了增加纳米射流热斑中的强度，我们应该使用非对称拓扑结构，并且距离L₁可以被确定为：

类似的结果也可以应用于平面波的倾斜入射和结构的非垂直边缘。

因此，本文公开的系统对于电磁平面波的垂直入射和倾斜入射起作用。

根据本公开的一方面，已经描述了具有至少一个插入件的非均质微透镜。这种非均质微透镜提供：

-纳米射流功率密度增强；

-控制微透镜的焦点的位置的可能性；

-对于一些拓扑结构，系统的响应对电磁波入射侧的依赖性；

-简单的拓扑结构，其与已建立的平面微/纳制造方法(例如纳米压印和光刻)兼容。

微透镜和插入件可以被设计成具有不同类型的形状。图17示出了对于具有底部平面波入射的非均质纳米射流微透镜的可能解决方案的示意图，例如立方体(图17(a))和圆柱体(图17(b))。对于具有顶部平面波入射的非均质纳米射流微透镜，类似的形状也是可能的。

图18示出了在立方体微透镜的情况下具有不同尺寸和位置的插入件的微透镜的可能实施例的示意图。例如，插入件的顶表面可以对应于微透镜的顶表面。根据其它示例，插入件的一部分可超过微透镜的顶表面。

插入件的高度可以等于微透镜的高度，或者低于或高于微透镜的高度。而且，插入件的长度可以小于或等于微透镜的长度。

根据本发明的另一方面，这种非均质微透镜可以如图17a或17b所示嵌入在基质介质中，或者如图21所示放置在充当支撑层的介电衬底上。衬底的材料可以任意选择：它可以与透镜的主体部分的材料相同或不同。通过标准的光刻技术可以实现这种微结构。

该结构可以从顶部或底部被照亮。为了提供期望的聚焦功能，必须相应地调整构成部分的材料性质和尺寸。

微透镜的主体部分和/或插入件的介电材料可以是例如玻璃、塑料或聚合物材料。

上面公开的非均质微透镜可以用于例如光学传感器中。发明人已经证明，由于所产生的纳米射流束的强度增加，使用这种类型的聚焦元件可以提高像素的光捕获效率(LCE)。对插入件的非对称位置的研究可用于估计可能的公差。此外，使纳米射流束偏移的可能性可有助于解决相邻像素之间的串扰问题。

由于微透镜的微型尺寸，它们可以有效地用于具有小至约2微米或甚至更小尺寸的像素。在这种情况下，纳米射流透镜可以代替传统的折射微透镜。对于具有较大尺寸的像素(例如2到8μm或更大)，纳米射流微透镜可以与折射透镜结合使用。最后，在不规则像素(具有非对称或偏移的光敏区域)的情况下，可以通过改变插入件的位置来相应地调整纳米射流透镜的形状和位置。

Claims (12)

1.一种光学透明装置(100)，包括具有折射率n₂的介电材料的主体部分(10)，所述装置被配置用于当所述装置被嵌入到具有比所述折射率n₂低的折射率n₁的介电材料中时，根据偶然照射所述装置的电磁波在所述装置的近场区中形成场强分布，其中所述装置包括：

-具有比所述折射率n₂高的折射率n₃的介电材料的至少一个插入件(11)，所述至少一个插入件被至少部分地插入所述主体部分中，所述折射率n₁不同于所述折射率n₃，并且其中

W₂是所述插入件的半宽并且

并且

W₁是所述主体部分的半宽并且

λ是在所述具有折射率n₁的介电材料中传播的所述电磁波的波长。

2.根据权利要求1所述的光学透明装置，其中，当所述电磁波从所述装置的底表面入射并且所述至少一个插入件的顶部边缘在所述主体部分的顶部边缘上方或与所述主体部分的顶部边缘重合时，所述至少一个插入件的所述半宽W₂由下式给出：

其中，H₂对应于所述至少一个插入件的高度，H₁对应于所述主体部分的高度，θ_B2由下式给出：

并且θ_B1由下式给出：

3.根据权利要求1所述的光学透明装置，其中，当所述电磁波从所述装置的顶表面入射并且所述至少一个插入件的顶部边缘在所述主体部分的顶部边缘上方或与所述主体部分的顶部边缘重合时，所述至少一个插入件的所述半宽W₂由下式给出：

其中θ_B2由下式给出：

并且θ_B1由下式给出：

4.根据权利要求1-3中任一项所述的光学透明装置，其中所述主体部分的形状和所述至少一个插入件的形状属于包括以下各项的列表：长方体、圆柱体、圆锥体、棱柱。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的光学透明装置，其中所述主体部分和所述至少一个插入件具有带有非垂直侧表面的形状。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的光学透明装置，其中所述至少一个插入件的顶部边缘与所述主体部分的顶部边缘重合，并且所述至少一个插入件的所述高度等于所述主体部分的所述高度。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的光学透明装置，其中所述主体部分和所述至少一个插入件共享至少一个相同的对称轴。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的光学透明装置，其中垂直于所述至少一个插入件的顶表面的对称轴与垂直于所述主体部分的顶表面的对称轴偏移。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的光学透明装置，其中所述主体部件或所述至少一个插入件的所述介电材料属于包括以下各项的组：

-玻璃；

-塑料；

-聚合物材料。

10.一种系统，包括具有折射率n₁的介电基质介质和嵌入所述介电基质介质中的至少一个根据权利要求1-9中任一项所述的光学透明装置。

11.一种系统，包括充当支撑层的具有折射率n₄的介电衬底和放置在所述介电衬底上的至少一个根据权利要求1-9中任一项所述的光学透明装置。

12.一种光学传感器装置，包括至少一个根据权利要求1-8中任一项所述的光学透明装置或根据权利要求10或11中任一项所述的系统。

Images