CN113056698A - 用于近场聚焦、光束形成和高效远场器件实现的非均质微透镜器件 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种光学透明器件(100)，其包括具有折射率n2的介电材料的主体部分(10)。这种光学透明器件被配置用于当所述器件被嵌入在具有比折射率n2低的折射率n1的介电材料中时，根据偶然照射所述器件的电磁波在所述器件的近区中形成场强分布。所述器件(100)进一步包括具有低于所述折射率n2且不同于所述折射率n1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插入所述主体部分中，并且所述至少一个插入件和所述主体部分中的每一者分别具有由所述至少一个插入件或所述主体部分的基部表面和所述至少一个插入件或所述主体部分的侧表面形成的台阶的边缘，所述基部表面相对于所述电磁波的到达方向限定。本公开还涉及一种系统，该系统包括均匀分布在介电基质介质内的多个上述光学透明器件，以便形成用于远场应用的远场器件。
Description
1.技术领域
本公开总体上涉及一种用于聚焦电磁波(其中包括可见光)的微透镜器件。更特别地，根据本公开的微透镜器件可以用于近场聚焦和波束形成，而且可以作为远场器件的元件用于远场应用。
2.背景技术
本部分旨在向读者介绍可能与下面描述和/或要求保护的本公开的各方面相关的技术的各方面。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公开的各个方面。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。
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器件的效率。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设备到专业光场相机的几乎每个便携式电子设备的核心。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器件的其他示例。局部场增强还用于不同波长范围的各种其它应用中。例如，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组件被用来将来自微显示器或投影仪的光引导到人眼，允许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得到优化，但是代价是复杂的设计。此外，迄今为止的大多数提议缺乏控制焦斑位置的可能性。
基于上述内容，可以得出结论，存在对不复杂的微透镜组件(依赖于具有较少制造困难的简单拓扑，例如与已建立的微制造和纳米制造技术兼容)的需要，从而实现更好的性能特性(例如聚焦功能)，同时提供控制焦斑位置的附加可能性。
3.发明内容
根据本公开的方面，公开了一种光学透明器件。这种器件包括具有折射率n2的介电材料的主体部分，并且被配置用于当所述器件嵌入在具有比所述折射率n2低的折射率n1的介电材料中时，根据偶然照射所述器件的电磁波在器件的近区中形成场强分布。所述器件进一步包括具有比所述折射率n2低的折射率n3的至少一个介电材料的插入件，所述折射率n3不同于所述折射率n1，所述至少一个插入件插入所述主体部分中。所述主体部分的宽度和所述至少一个插入件的宽度还被配置成使得W1-W2≥λ/2和2W1≤10λ，其中W1对应于所述主体部分的半宽度，W2对应于所述至少一个插入件的半宽度，并且λ对应于所述电磁波在所述主体部分的材料中的波长，并且所述至少一个插入件和所述主体部分中的每一者分别具有由所述至少一个插入件或所述主体部分的基部表面和所述至少一个插入件或所述主体部分的侧表面形成的台阶的边缘，所述基部表面相对于所述电磁波的到达方向限定。
这样，获得了易于制造的非均质微结构。有利地，根据本公开，这种非均质微结构用作微透镜，其中两种不同的介电材料(主体部分的材料和插入件的材料)以如下方式结合，即，在微透镜的垂直截面中，源自微透镜的不同边缘(微透镜的主体部分的边缘和插入件的边缘)的一些纳米射流束重新结合，并有助于形成位于微透镜主体部分的对称轴之外的至少两个纳米射流束。这种非均质微结构可用于设计一种新型的焦斑位置可控的近场聚焦器件。更具体地说，通过调整微透镜的构成部分的参数(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、构成部分的尺寸和形状、以及插入件的位置)，可以控制由上述公开的非均质微透镜形成的纳米射流束的特性。此外，该系统可以被设计为各向异性的，导致所提出的微透镜的响应依赖于器件的一侧，其中电磁波偶然照射在所述一侧上。所公开的非均质微透镜还可以作为远场器件的元件(例如衍射光栅)而用于远场应用，如稍后介绍的根据本公开的另一方面。
根据本公开的实施例，所述电磁波从所述光学透明器件的底表面入射，导致形成分别位于由以下近似公式给出的焦点位置(RfL,，HfL)和(RfR，HfR)处的两个纳米射流束：
RfL和RfR表示所述焦点位置与所述主体部分的对称轴的距离；
HfL和HfR表示所述焦点位置与所述器件的底表面的距离；
其中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度，H2对应于所述至少一个插入件的高度，W2对应于所述至少一个插入件的半宽度，Ws对应于所述至少一个插入件的左边缘相对于所述主体部分的所述对称轴的位置，θB2由下式给出：
以及θB1由下式给出：
根据本发明的另一实施例，所述电磁波从所述光学透明器件的顶表面入射，导致形成分别位于由以下近似公式给出的焦点位置(RfL,，HfL)和(RfR，HfR)处的两个纳米射流束：
RfL和RfR表示所述焦点位置与所述主体部分的对称轴的距离；
HfL和HfR表示所述焦点位置与所述器件的底表面的距离；
其中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度，H2对应于所述至少一个插入件的高度，W2对应于所述至少一个插入件的半宽度，Ws对应于所述至少一个插入件的左边缘相对于所述主体部分的所述对称轴的位置，θB2由下式给出：
以及θB1由下式给出：
这样，通过调整微透镜的构成部分(主体部分和插入件)的尺寸和相对位置，和/或通过选择微透镜的一侧(顶部或底部)来照明，可以精确地控制至少两个产生的纳米射流束的热斑位置。
根据本公开的实施例，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组：长方体、圆柱体、圆锥体、截锥体、棱柱。
这样，光学透明器件保持制造简单。
根据本发明的实施例，所述主体部分和所述至少一个插入件可以具有垂直的侧表面或非垂直的侧表面。例如，主体部分和插入件具有棱柱形状。当器件的底面平行于X-Y平面时，垂直的侧表面在这里是指平行于XYZ正交参考系的Z轴的表面。具有垂直的侧表面的形状被认为与x-y平面具有90°的底角。非垂直的侧表面，在此意味着主体部分和插入件的形状具有与X-Y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，器件的响应不依赖于电磁平面波入射的一侧，即器件具有各向同性的性质。该实施例对应于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低于所述主体部分的顶部边缘，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，器件的响应是各向异性的，即器件的响应取决于平面波入射的一侧。
根据本发明的实施例，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线。
这样，位于该对称轴之外的所产生的纳米射流束关于所述对称轴对称。它们也共享类似的功率密度分布。
根据本公开的实施例，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线偏移。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。这样，位于主体部分的对称轴之外的所产生的纳米射流束关于该对称轴不对称，从而允许从所提出的非均质微透镜获得非对称响应(在所产生的纳米射流束的位置和功率密度分布方面)。
根据本公开的实施例，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到所述介电基质介质中的根据以上引用实施例中的任一个实施例的至少一个光学透明器件。
根据本公开的实施例，所述系统进一步包括充当支撑层的具有折射率n4的电介质衬底，并且根据以上引用实施例中的任何一个实施例的所述至少一个光学透明器件被放置在所述电介质衬底上。
根据本公开的实施例，所述系统包括根据以上引用的实施例中的任何一个实施例的多个光学透明器件，所述光学透明器件均匀地分布在所述介电基质介质内。
以这种方式，根据本公开的这些方面，通过在介电基质介质内均匀地分布多个所提出的光学透明器件，显著地可以形成具有高衍射效率并且允许远场应用的不复杂的衍射光栅(即，与常规衍射光栅相比易于制造)。
应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例性和说明性的，而不是对所要求保护的本公开的限制。
还必须理解，说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用指示所描述的实施例可包括特定特征、结构或特性，但每个实施例可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。进一步，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。
4.附图说明
参考以下描述和附图，可以更好地理解本公开的实施例，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1a示出了根据本公开的实施例的具有插入件的非均质微透镜的示例性拓扑；
-图1b示出了根据本公开的实施例的具有插入件的对称非均质微透镜的横截面图；
-图1c示出了根据本公开的实施例的具有插入件的非对称非均质微透镜的横截面图；
-图1d和1e示出了根据本公开实施例的非均质微透镜的横截面图，其分别由来自微透镜的底部(图1d)和顶部(图1e)的电磁平面波照射；
-图1f示出了根据本发明的另一个实施例的具有插入件的非均质微透镜的横截面图；
-图2示出了根据本公开的实施例，插入件的高度如何影响由非均质微透镜产生的纳米射流束的功率密度分布。
-图3示出了根据本公开的实施例，电磁波入射的一侧如何影响由非均质的微透镜产生的纳米射流束的功率密度分布；
-图4示出了根据本公开的实施例的具有插入件的非均质微透镜的三个模拟的示例性拓扑结构；
-图4a、4b和4c示出了根据本公开的实施例，当系统被从微透镜的底部入射的平面波照射时，对于图4的三个模拟的示例性拓扑结构中的每一者，纳米射流热斑的位置(图4a和4b)和纳米射流射束在热斑的功率密度(图4c)如何根据插入件的高度而变化；
-图5a、5b和5c示出了根据本公开的实施例，当系统被从微透镜的顶部入射的平面波照射时，对于图4的三个模拟的示例性拓扑结构中的每一个，纳米射流热斑的位置(图5a和5b)和纳米射流射束在热斑的功率密度(图5c)如何根据插入件的高度而变化；
-图6a、6b和6c示出了根据本公开的实施例的纳米射流热斑的位置(图6a和6b)和纳米射流束在热斑处的功率密度(图6c)如何根据非均质微透镜的插入件的宽度而变化；
-图7a、7b和7c示出了根据本公开的实施例的纳米射流热斑的位置(图7a和7b)和纳米射流射束在热斑处的功率密度(图7c)如何根据非均质微透镜的高度而变化；
-图8a、8b和8c示出了根据本公开的实施例的纳米射流热斑的位置(图8a和8b)和纳米射流射束在热斑处的功率密度(图8c)如何根据非均质微透镜的宽度而变化；
-图9a、9b和9c示出了根据本公开的实施例的纳米射流热斑的位置(图8a和8b)和纳米射流射束在热斑处的功率密度(图8c)如何根据非均质微透镜的插入件的折射率而变化；
-图10a和10b示出了根据本公开的实施例的由以各种波长照射两种尺寸的非均质微透镜产生的纳米射流束的功率密度分布；
-图10c、10d和10e示出了根据本公开的实施例对于两种尺寸的微透镜，纳米射流热斑的位置(图10c和10d)和纳米射流束在热斑的功率密度(图10e)如何根据照射非均质微透镜的波平面的波长而变化；
-图11a示出了根据本公开的实施例的具有插入件的非均质微透镜的模拟示例性拓扑；
-图11b和11c分别示出了根据本公开实施例的由具有图11a的拓扑结构的非均质微透镜产生的纳米射流束在微透镜的xz平面(图11b)和xy平面(图11c)中的功率密度分布；
-图11d示出根据本公开的实施例，对于不同的插入件宽度，由具有图11a的拓扑的非均质微透镜产生的场的功率密度如何根据到微透镜的距离而变化；
-图11e和11f示出了根据本公开的实施例的对于具有图11a的拓扑结构的非均质微透镜，纳米射流热斑的位置(图11e)和纳米射流射束在热斑处的功率密度(图11f)如何根据插入件的宽度而变化；
-图12示出了根据本公开实施例的由非对称非均质微透镜产生的纳米射流束的功率密度分布的示例；
-图13a、13b和13c示出了根据本公开的实施例的纳米射流热斑的位置(图13a和13b)和纳米射流射束在热斑处的功率密度(图13c)如何根据插入件的对称轴相对于非均质微透镜的主体部分的对称轴的偏移而变化；
-图14a和14b示出了根据本公开的实施例的非均质微透镜的可能实施方式的示意图，所述非均质微透镜例如为长方体(图14a)和圆柱体(图14b)；
-图15示出了根据本公开的各种实施例的根据所提出的技术的微透镜的可能实施方式的示意图，其中插入件具有不同的尺寸、形式和位置，并且主体部分具有不同的形状；
-图16示出了根据本公开的实施例的衍射光栅的可能几何结构，其包括嵌入到电介质中的非均质微透镜；
-图17示出了根据本公开的实施例的衍射光栅的可能几何结构，包括形成用于非均质微透镜的衬底的层；
-图18示出了根据本公开的实施例的3D空间中的衍射光栅的可能几何结构；
-图19示出根据本公开的实施例的针对关于图16呈现的衍射光栅几何结构，根据入射角计算的反射率和透射率；
-图20示出根据本公开的实施例的针对关于图17呈现的衍射光栅几何结构，根据入射角计算的反射率和透射率；
-图21示出根据本公开的实施例的对于电磁波垂直入射到具有关于图17(a)呈现的几何结构的衍射光栅上，根据微透镜的高度和插入件的高度的第1衍射级的透射率；
-图22示出了根据本公开的实施例的对于电磁波在衍射光栅上的法向入射，根据插入件的对称轴相对于非均质微透镜的主体部分的对称轴的偏移而计算的反射率和透射率，所述衍射光栅具有关于图17(a)
呈现的几何结构但包括非对称的非均质微透镜。
附图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本公开的原理上。
5.具体实施方式
5.1一般原理
存在一数量的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(Photonic nanojet-enabledoptical 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 7,394,535Bl，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 dielectric cuboids)”，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 of terajets)”，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。一些器件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。因此，与受控纳米射流特性操纵相关的主题引起了日益增长的兴趣，所述受控纳米射流特性操纵诸如通过微透镜光学性质的变化来产生更薄或更长且密集的纳米射流。
本公开的一般原理依赖于用于近场和远场聚焦器件的设计的新技术解决方案。如将在本公开中描述的，所提出的微透镜器件拓扑结构使得可以控制焦斑位置(例如，纳米射流偏离)和纳米射流特性。所提出的拓扑的附加优点在于聚焦元件的各向异性性能特性：实际上，所提出的微透镜器件提供了非互易响应，即，所产生的纳米射流束的特性取决于照射器件的电磁波的入射侧。此外，通过在介电基质介质内均匀分布多个所提出的微透镜器件，有可能实现远场器件，如稍后将在文献中结合图16到22描述。
根据本公开的一方面，所提出的技术涉及一种新型纳米射流微透镜，其包括介电插入件。提出将两种不同的介电材料(微透镜的主体部分的材料和插入件的材料)组合，使得源自非均质微透镜的微透镜台阶的不同侧表面(主体部分的侧表面和插入件的侧表面)的所有纳米射流束重新组合，并有助于形成位于微透镜主体部分的对称轴之外的至少两个纳米射流束。
如图la到le示意性地所示，对于组合了具有满足特定标准的不同折射率的两个或多个元件的系统，可以实现这种期望的效果，如下面在本公开中进一步讨论的。
元件(主体部分或插入件)的台阶由具有至少一个折射率突变的元件表面形成。例如，在图1a至1d和1f中，由主体部分的底表面和侧表面在主体部分的每一侧上形成台阶，底表面相对于电磁波的到达方向限定。在插入件的每一侧还由插入件的底表面和侧表面形成台阶。
通过调节所提出的微透镜的构成部分的参数(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、构成部分的尺寸和形状、以及插入件的位置)，可以显著地控制所产生的纳米射流束的特性。此外，该系统可以被设计为各向异性的，导致所提出的微透镜的响应对电磁波入射侧的依赖性。
图1a示出了根据所提出的技术的实施例的非均质的纳米射流微透镜(100)的一般拓扑。这种非均质的纳米射流微透镜(100)是光学透明器件，其包括介电材料的主体部分(10)和介电材料的插入件(11)，插入件(11)插入微透镜(100)的主体部分(10)中。在图1a所示的示例中，微透镜的主体部分和插入件是长方体，并且插入件的顶表面与微透镜的顶表面重合。
微透镜的构成部分的尺寸如下：
-Hi和H2分别表示微透镜和插入件沿图la所示z轴的高度；
-Wi和W2分别表示微透镜和插入件沿图la所示x轴的半宽度；
-Li和L2分别表示微透镜和插入件沿图la所示y轴的半长。
所提出的微透镜器件被配置用于当该器件被嵌入在具有比主体部分(10)的介电材料的折射率n2低的折射率n1的介电材料中时，根据偶然照射所述器件的电磁波在所述器件的近区中形成场强分布。此外，微透镜被设计成使得介电插入件(11)具有低于主体部分(10)的介电材料的折射率n2的折射率n3，并且不同于折射率n1，主体部分的宽度和插入件的宽度还被配置成使得W1-W2≥λ/2和2W1≤10λ，λ是偶然照射器件的电磁波在所述主体部分的材料中的波长(换句话说，微透镜的尺寸不应超过少数波长，以便限制菲涅耳衍射现象)。在所提出的技术的所有所述实施例中，假设考虑了对折射率n1、n2和n3(即n3<n2；n1<n2；n3≠n1)和尺寸的那些约束，并且这些约束导致产生位于所提出的微透镜主体部分的对称轴之外的至少两个纳米射流束。这些纳米射流束形成在焦点位置(RfL,，HfL)和(RfR，HfR)处，如图lb和lc所示，其中RfL和RfR表示所述焦点位置距微透镜的主体部分的对称轴的距离，而HfL和HfR表示所述焦点位置距微透镜的底表面的距离。
图1b和1c示出了根据所提出技术的不同实施例的包括插入件的非均质微透镜的截面图。更特别地，图1b是对称的非均质微透镜的横截面视图，即，微透镜和插入件共享平行于z轴的相同对称轴。图1c是非对称非均质微透镜的横截面图，即微透镜和插入件不共享相同的对称轴。
除了图1a、1b和1c中所示的那些形状之外，微透镜和插入件的其它形状也是可能的。例如，图1b和1c中的截面图可对应于嵌入均质介电基质介质中的肋状、长方体、圆柱体或棱柱，所述均质介电基质介质具有低于微透镜的主体部分的折射率n2的折射率n1(微透镜本身包括介电插入件，所述介电插入件具有低于主体部分的折射率n2的折射率n3，并且不同于折射率n1)。具有折射率为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，以便改变由于与微透镜构成部分的边缘相关的纳米射流束的再结合而在微透镜表面上方的基质介质的空间中产生的纳米射流热斑的位置。这种系统的总响应取决于平面波照射的一侧。更具体地说，如以下进一步描述的图2所示，所产生光束的功率密度分布根据微透镜是从底部(如图1d所示)还是从顶部(如图1e所示)照射而不同。入射电磁波可以具有例如包括在390nm至700nm范围内的波长。
下面研究用于这种类型的微透镜的插入件的尺寸、位置和折射率对纳米射流热斑位置、热斑偏移和近场图案的影响。更具体地，所提出的具有插入件的非均质微透镜的性能通过立方体形式的非均质微透镜的全波电磁分析数值地评估，例如其横截面是在图1b或1c中表示的立方体。为了简单起见，假设所有材料都是无损的和非色散的。在示例性实施例中，插入件的顶部边缘的位置被固定成与微透镜的主体部分的顶部边缘的位置重合。然而，也可以使用其它的拓扑结构，只要插入件的顶部边缘不高于主体部分的顶部边缘。为了简化，这里仅数值研究构成部件(主要部件和插入件)的顶部边缘重合的情况以及插入件的高度等于或低于微透镜的总高度的情况。该结构可以具有平行于z轴的垂直侧表面和平行于xy平面的顶部/底部表面，xy平面对应于等于90度的底角α。然而，也可以使用一些其它结构(具有任意底角)，如本文档中稍后关于图1f所描述的。实际上，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微透镜的焦距根据微结构内部和外部介质的尺寸(宽度或半径)和折射率比表征。现在给出一组方程，其使得可以估计由具有n3<n2>n1的系统产生的纳米射流的热斑位置。已经证明，对于所提出的对称系统的构成部件的折射率之间的比率，并且在W1-W2≥λ/2(λ是入射波的波长)的情况下，可以获得至少两个纳米射流热斑。近场图案和纳米射流热斑的位置由关于插入件的主体部分和折射率的值的形式、尺寸、位置确定。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(考虑电磁波从微透镜的底部入射的情况)来解释。与系统的不同组成部分的边缘相关联的纳米射流的交叉导致形成位于微透镜主体部分的对称轴之外的热斑。尺寸大于入射波的几个波长的非均质系统的总响应代表纳米射流和菲涅耳衍射现象之间的相互作用。
波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来定义。因此，微透镜构成部分的纳米射流束辐射角可以根据主介质的折射率和透镜主体部分的材料的折射率(对于插入件，假定主介质是微透镜主体部分的材料)之间的比率和元件的底角确定。首先，为了简单起见，仅分析具有垂直侧表面的元件，并且因此认为底角等于90°。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ΘB1(例如，如图lb所示)：
其中，
是折射的临界角。
透镜的焦距可以被估计为：
FL＝W1γ1， (2)
其中
W1是微透镜的主体部分的半宽(半径)(参见图lb)。
考虑具有插入件的对称非均质微透镜，其中n3<n2>n1，纳米射流热斑/焦点将位于微透镜的对称轴之外，如图1b所示。此外，观察到相对于对称轴对称定位的至少两个(取决于几何结构)纳米射流热斑。用于确定焦点位置的近似公式具有以下形式：
其中W2是插入件的半宽(半径)，H1和H2分别是微透镜和插入件的高度(参见图lb)，
需要注意的是，如果是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体元件的边缘的不同位置(见图1d和1e的示意图，示出了两个不同的入射侧)。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，焦点的位置与高度H1和H2无关：
为了得到最大强度的纳米射流热斑，设计规则在于，采用总高度接近焦距Hf或H* f(例如H1→H* f)的元件。
同时，可以证明，所产生的纳米射流的形式和强度对参数L1和L2的值敏感。为了增强总的产生的纳米射流，应当考虑来自由垂直于y轴的边缘产生的纳米射流的输入。
对于具有插入件的非对称系统(例如关于图1c所示的系统)的情况，获得以下近似公式以确定底部电磁波入射的焦点位置：
这里，Ws是插入件的左边缘相对于微透镜的主体组成部分的对称轴的位置(参见图lb)并且W1-Ws≥λ/2。在电磁波从微透镜的顶部入射的情况下，焦点的位置被确定为：
在这种非对称系统中，观察到焦点距离对称轴和微透镜表面的不相等。
在上述实施例中，已经考虑到微透镜的主体部分和插入件具有垂直的侧表面，即平行于z轴的表面。
根据另一实施例，现在考虑具有非垂直的侧表面和平行于xy平面的顶部/底部表面的结构。因此，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，α'是插入件的底角，如图1f所示，其示出了具有插入件的非均质微透镜的横截面图。该截面图可对应于嵌入折射率为n1＜n2的均质介电基质介质中的棱镜或圆锥系统。
已经获得，对于具有非垂直边缘的系统，可以使用以下近似公式来确定纳米射流束的射束辐射角：
其中Θ′TIR1是非垂直边缘的临界折射角。为了得到Θ′TIR1的近似公式，必须考虑边缘位置的改变。结果，针对主体部分的纳米射流束辐射角可以被估计为：
以类似的方式，针对插入件的纳米射流束辐射角可以被确定为：
其中Θ′TIR2是插入件的非垂直边缘的临界折射角。
因此，针对插入件的纳米射流束辐射角可被估计为：
其中，α'是插入件的底角，在该实施例中，底角不同于90°。
因此，对于具有非垂直的侧表面的结构的微透镜，焦点的位置因此可以通过使用等式(3)、(4)、(5)或(6)中的主体部分和插入件的纳米射流束辐射角的上述估计来获得。
5.2模拟结果
电磁场仿真软件包CST微波工作室(CST MICROWAVE STUDIO)现在用于仿真所提出的非均质微透镜的不同实施例，并且用于分析所获得的数据。微透镜(100)被假定为具有相同形状的介电插入件(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。
5.2.1对称系统
现在给出了例如图1b中所示的对称非均质微透镜的一些模拟结果，图1b是插入件和微透镜共享平行于z轴的相同对称轴的系统。研究了当一次一个地改变各种参数时系统的响应。
取决于插入件的高度
图2示出了通过用波长为λ＝550nm的平面波从底部照射对称的非均质微透镜而产生的纳米射流在xz平面(图像(a)和(b))和xy平面(图像(c)和(d))中的功率密度分布。微透镜具有以下特征：n1＝1，n2＝2，n3＝1.3，W1＝800nm，L1＝L2＝275nm，H1＝400nm，W2＝100nm。图像(a)和(c)对应于等于100nm的插入件高度(H2＝100nm)。图像(b)和(d)对应于等于400nm的插入件的高度(H2＝H1＝400nm)。产生两个对称的焦斑。如通过一方面比较图像(a)和(c)以及另一方面比较图像(b)和(d)可以观察到的，插入件的高度影响纳米射流的形式和纳米射流热斑的位置。
对电磁波入射侧的依赖性
图3示出了由具有n1＝1，n2＝2，n3＝1.3，W1＝800nm，L1＝L2＝275nm，H1＝400nm，W2＝100nm，H2＝100nm并且通过用波长为λ＝550nm的平面波从底部(图像(a))和从顶部(图像(b))照射的非均质微透镜产生的纳米射流束在xz平面中的功率密度分布。图像(b)已经旋转180°以允许与图像(a)比较。可以观察到，即使对于小高度的插入件，系统的总响应也取决于电磁波入射的一侧。
电磁波入射的不同侧对插入件高度的依赖性
图4示出了非均质微透镜的各种模拟拓扑：
-第一仿真拓扑S1，具有L1＝L2＝275nm；
-第二仿真拓扑S2，具有L1＝L2＝350nm；
-第三仿真拓扑S3，具有L1＝350nm，并且L2＝100nm。
对于仿真拓扑S1、S2和S3中的每一者，图4a、4b、4c、5a、5b和5c示出了所产生的纳米射流热斑的位置和功率密度根据插入件的高度H2的演变(微透镜的其他参数保持恒定：n1＝1，n2＝2，n3＝1.3，W1＝800nm，W2＝100nm，H1＝400nm)。
更具体地说，图4a、4b和4c对应于由从微透镜的底部入射的λ＝550nm的平面波照射微透镜的情况，而图5a、5b和5c对应于由从微透镜的顶部入射的λ＝550nm的平面波照射微透镜的情况。灰色虚线对应于从近似公式获得的依赖性。
评估纳米射流热斑的位置和功率密度对插入件尺寸的依赖性，可以观察到系统对微透镜和插入件沿y方向的尺寸以及对电磁波入射侧的高灵敏度。如对于底部入射的情况由等式(3)所预测的，Rf随着插入件的高度而减小并且Hf随着插入件的高度而增大(见图4a和4b)。从该数值数据可以得出结论：与在底部波入射的情况下的系统的特性(图4a、4b和4c)相比，具有顶部平面波入射的非均质微透镜的特性(图5a、5b和5c)对插入件的高度H2较不敏感。使用等式(3)和(4)获得的参考解由灰色虚线标记。与理论上预测的纳米射流热斑位置的偏差与y轴方向上的构成部分的尺寸有关。还应当注意，增加插入件的高度使得可以增加所呈现的拓扑S1、S2和S3的热斑中的功率密度之间的差异。如图5a和5b中还可以看到的，对于所呈现的拓扑结构的最高热斑位置差异对应于最小高度H2。
取决于插入件的宽度
图6a、6b和6c示出了对于H1＝H2的非均质微透镜(显然，这种拓扑的响应与电磁波入射侧无关)，热斑位置(图6a和6b)和功率密度(图6c)根据插入件的宽度W2的变化。更具体地，以下参数用于仿真：n1＝1，n2＝2，n3＝1.3，W1＝800nm，H1＝H2＝400nm，L1＝L2＝350nm，由波长为λ＝550nm的平面波照射。灰色虚线对应于根据近似公式获得的依赖关系。实线是CST模拟的结果。
对于这种类型的拓扑，可以观察到Rf在模拟和分析计算结果之间的非常好的一致性。如可以注意到的，通过增加W2，可以增加与对称轴(Rf)的偏差并降低Hf，并且纳米射流波束的强度随着插入件的宽度而降低。
对于具有固定宽度的插入件和变化尺寸的主体部分的系统，获得了类似的相关性。
对微透镜高度的依赖性
图7a、7b和7c示出了对于H1＝H2的非均质微透镜，热斑位置(图7a和7b)和功率密度(图7c)根据微透镜的总高度H1的变化。更具体地，以下参数用于仿真：n1＝1，n2＝2，n3＝1.3，W1＝800nm，L1＝L2＝350nm，由波长为λ＝550nm的平面波照射。灰色虚线对应于根据近似公式获得的依赖关系。实线是CST仿真的结果。
基于数值模拟，可以观察到对于所呈现的拓扑，当H1增大时Rf增大而Hf减小。
对微透镜宽度的依赖
图8a、8b和8c示出了对于H1＝H2的非均质微透镜，热斑位置(图8a和8b)和功率密度(图8c)根据微透镜总宽度W1的变化。更具体地，以下参数用于仿真：n1＝1，n2＝2，n3＝1.3，H1＝H2＝400nm，W2＝100nm，L1＝L2＝350nm，由波长为λ＝550nm的平面波照射。灰色虚线对应于从近似公式获得的依赖关系。实线是CST仿真的结果。
可以观察到，当W1增大时，所有特性(Rf、Hf和功率密度)都增大。对于尺寸大于入射波的几个波长的非均质系统，分析和数值结果之间的差异的增加与纳米射流和菲涅耳衍射现象之间的相互作用有关。
对微透镜构成部分的折射率比的依赖性
图9a、9b和9c示出了对于H1＝H2的非均质微透镜，热斑位置(图9a和9b)和功率密度(图9c)根据插入件的折射率n3的变化。更具体地，以下参数用于仿真：n1＝1，n2＝2，n3＝1.3，H1＝H2＝400nm，W1＝800nm，L1＝L2＝275nm，由波长为λ＝550nm的平面波照射。灰色虚线对应于根据近似公式获得的依赖关系。实线是CST仿真的结果。
可以观察到，微透镜的热斑中的功率密度随着插入件材料的折射率n3而下降。另外，可以看出，增加n3提升热斑并将热斑移动到更靠近非均质微透镜的中心。
对入射波波长的依赖性
图10a和10b示出了对于两种不同尺寸的对称非均质微透镜在xz平面中不同波长下的功率密度分布：对于图10a的模拟，W1＝800nm，并且H1＝H2＝300nm，对于图10b的模拟，W1＝900nm，H1＝H2＝400nm。其它参数对于两个模拟保持相同：n1＝1，n2＝2，n3＝1.3，L1＝L2＝370nm，W2＝100nm。
图10c、10d和10e示出了对于两个不同高度的对称非均质微透镜(H1＝H2)，热斑位置(图10c和10d)和功率密度(图lOe)根据入射平面波的波长的变化。更具体地，以下参数用于仿真：n1＝1，n2＝2，n3＝1.3，W1＝800nm，L1＝L2＝370nm，W2＝100nm。线C1对应于H1＝H2＝300nm，线C2对应于H1＝H2＝500nm。
对于W1>λ的微透镜，获得了图10a至10c中观察到的相关性，并且证明所提出的系统是分散的。特别地，在图10c、10d和10e中，可以观察到功率密度和热斑位置对系统高度的敏感性。
焦距控制
图11b、11c、11d、11e和11f示出了由具有图11a所示的系统拓扑的非均质微透镜产生的纳米射流束的功率密度分布。更具体地，图11b示出了在非均质的微透镜的xz平面中的功率密度分布，图11c示出了在三个不同的Z0处的非均质的微透镜的xy平面中的功率密度分布，所述Z0是沿着Z轴距微透镜的主体部分的底部边缘的距离。图11b是示出了对于五个不同宽度的插入件，功率密度根据Z坐标演变的曲线图。图11e和11f示出了热斑位置(图11e)和功率密度(图11f)根据插入件宽度W2的变化(灰色虚线对应于从近似公式获得的相关性，实线是CST模拟的结果)。以下参数用于模拟：n1＝1，n2＝2，n3＝1.3，W1＝L1＝800nm，W2＝L2＝100nm(仅对于图lb和lc)，H1＝H2＝400nm，由λ＝550nm的平面波照射。
应当注意，对于具有W1>λ的系统，可以另外观察到沿着主体部分的对称轴取向的密集纳米射流束。通常，均匀微透镜的焦距FL由主体部分的宽度和折射率确定(参见等式(2))，但是插入件的存在影响该参数。更具体地，图11d、11e和11f表明，该纳米射流的热斑位置、功率密度和长度对插入件的宽度W2敏感。例如，可以观察到，对于具有较宽插入件的系统，焦点位置更靠近微透镜的表面。
可以注意到，改变系统和插入件沿y轴的总尺寸以及改变插入件的拓扑结构使得可以管理距微透镜顶部不同距离处的功率分布。例如，可以具有允许沿着对角线在Z0＝400nm处分裂纳米射流的微透镜几何结构，如关于图11c所示。
5.2.2非对称系统
现在给出了例如图1c中所示的非对称非均质微透镜的一些模拟结果，图1c是插入件和微透镜不共享相同对称轴的系统。
图12a、12b和12c示出了由非对称非均质微透镜产生的纳米射流束的功率密度分布。更特别地，图12a示出了xz平面中的功率密度分布，图12b和12c示出了xy平面中两个不同热斑位置Z0(图12b中为Z0＝548.2nm，图12c中为Z0＝701nm)处的功率密度分布。以下参数用于模拟：n1＝1，n2＝2，n3＝1.3，W1＝800nm，H1＝H2＝400nm，W2＝100nm，Ws＝300nm，L1＝L2＝350nm，通过λ＝550nm的平面波照射。Ws表示插入件的左边缘相对于微透镜的主体组成部分的对称轴线的位置，如关于图lb和lc所示。如果Ws≠W2，则系统是非对称的，如图lc中的示例所示。
如在图12a、12b和12c上可以观察到的，使用非对称非均质微透镜导致纳米射流功率密度的重新分布：获得具有不同特性和偏移角的两个纳米射流。这种现象可以解释为由系统边缘产生的各种纳米射流的功率密度不相等。
图13a、13b和13c示出了热斑位置(图13a和13b)和功率密度(图13c)根据Ws的变化，具有以下参数：n1＝1，n2＝2，n3＝1.3，W1＝800nm，H1＝H2＝400nm，W2＝100nm，L1＝L2＝350nm，通过λ＝550nm的平面波照射。线RG对应于右热斑，线LT对应于左热斑。图13a和13b上的灰色虚线示出了作为比较基础的对称系统的纳米射流热斑的位置。从这些图中可以注意到，功率密度和热斑位置取决于插入件在系统中的位置：对于这种非均质系统的不相等部分，观察到了非对称的响应。
5.3所提出的技术和实际应用的优点
根据本公开的一个方面，已经描述了具有至少一个插入件的非均质微透镜。如贯穿该文献所解释的，发明人已经发现，在插入件具有比基质介质的折射率低的折射率(n3<n2>n1)的情况下，平面波在这种非均质的微透镜上的衍射可以导致管理微透镜表面上方的空间中的纳米射流热斑位置并且通过调整插入件的一些参数(折射率、尺寸、形状和位置)来变换近场图案的可能性。另外，根据所提出的技术的非均质微透镜提供：
-对于一些拓扑结构，系统的响应对电磁波入射侧的依赖性；
-响应对波长的依赖性；
-根据插入件的位置获得非对称响应的可能性；
-简单的拓扑结构，与已建立的平面微/纳制造方法(例如纳米压印和光刻)兼容。
所提出的微透镜的主体部分和插入件可以设计成具有不同类型的形状。图14a和14b示出了用于具有底部平面波入射的非均质纳米射流微透镜的可能实施方式的示意图，例如立方体(图14a)和圆柱体(图14b)。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15示出了根据所提出的技术的微透镜的可能实施例的示意图，其中插入件具有不同的尺寸、形式和位置，并且主体部分具有不同的形状。如在所示的实施例中可以看出的，插入件的顶表面可以对应于微透镜的顶表面，插入件的高度可以等于或小于微透镜的高度，并且插入件的长度可以等于或小于微透镜的长度。
根据本发明的另一方面，这种非均质微透镜可以嵌入在主体介质中或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：它可以与微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。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。该结构可以从顶部或底部被照射。
如贯穿本文所呈现的，根据所提出的技术的微透镜的构成部分的材料性质和尺寸可以被调节以便提供期望的聚焦功能。更具体地，可以调节这些参数，以便允许产生至少两个位于微透镜主体部分的对称轴之外的具有期望特性(在功率密度分布、位置等方面)的纳米射流束。
利用这种在单个元件主体部分的对称轴之外形成纳米射流束的特性，可以设计具有高衍射效率的不复杂的衍射光栅。衍射光栅具有许多潜在的应用。例如，光学透视近眼显示器(NED)的操作原理可依赖于对出射光瞳扩展器(EPE)使用衍射光导。在EPE板上，内耦合光栅将入射光线分成±第一衍射级。通常，高衍射效率是通过厚衍射全息图或通过由深倾斜凹槽制成的衍射光栅来实现的。通过将EPE功能分成两个分开的堆叠板，可以增加可达到的视场。其中一个板覆盖正入射角，另一个板覆盖负入射角。这种传统结构的主要问题是母版制造和批量复制的复杂性以及小的角度带宽(与得到的视场有关)。然而，根据本公开的微透镜允许构建克服现有技术的这些问题的衍射光栅。
更具体地，提出了由于衍射光栅而促使远场图案，然后由于纳米射流现象而促使特定衍射级的衍射效率的放大。图16示出了所提出的衍射光栅(元件的周期性阵列)的可能实施例，包括如本公开中所描述的光学透明器件，即，在主体部分内包含插入件(并且因此在下文中被称为“双材料元件”)，其被嵌入到具有折射率n1的介电材料中。光栅常数(即光栅的周期)是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。衍射光束的角度不受微透镜结构的影响。它们由光栅的周期、入射平面波的波长和波入射角决定，并可根据光栅方程计算。
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/微透镜(相同间距的规则结构)的衍射光栅不同，所提出的基于具有插入件的双材料元件的衍射光栅实现了强度的对称分布Tj＝T-j，Rj＝R-j，....，其中j是衍射级的数目)，从而导致直接透射(零级衍射，其在对称的单一材料元件的情况下具有最大的光栅效率)的抑制和衍射光的重新分布，并且对于期望的非零衍射级(±1，例如)增加了光栅效率。
在关于图17呈现的其他实施例中，衍射光栅包括形成用于具有插入件的双材料元件的衬底的层。衬底的折射率是n4。图18示出了光栅在3D空间中的几种可能的实现。
图16中所示的实施例(a)和(b)的情况下，计算得到的TE入射的反射率和透射率分别绘制在图19的曲线图(a)和(b)中，其示出了对于嵌入到介电材料中的光栅，λ＝625nm的0和±1级的反射率和透射率，所述介电材料折射率n1＝l并且周期d＝1000nm，并且双材料微透镜具有以下参数：n2＝2.25，n3＝1.514，W1＝180nm，W2＝80nm，H1＝340nm，H2＝220nm。假设系统在x方向上是所谓的无限的(即光栅具有多于十个周期)。可以看出，对于24°视场(FOV)，这种系统对于±第一级(参见图19(a))可以具有非常高的(对于负入射角和正入射角几乎对称)透射率。所有其它衍射级将被抑制。该角度范围的衍射均匀性(衍射效率的均匀性)达到≈94％。本系统证明了不可逆响应。改变电磁波入射的一侧使得可以获得不同的特性(参见与图16(b)中所示的实施例相关联的图19(b))。例如，有可能显著地降低负入射角时第1级的效率。
类似地，已经模拟了具有放置在介电衬底上的插入件的元件的周期性阵列在xz平面中的功率流分布：图17中所示的实施例(a)和(b)的情况下，所计算的TE入射的反射率和透射率分别绘制在图20的曲线图(a)和(b)中。所使用的参数与图19中所示的阵列的参数一致，其中增加了衬底的折射率，其已被设置为n4＝n3＝1.514。与图19的比较允许观察衬底对光栅衍射效率的影响。此外，还可以观察到插入件的位置对该特性的影响。分析所呈现的情况的场分布，可以得出结论，当热斑的位置接近元件和衬底之间的边界并且热斑的强度最大时，衍射光具有极大值。
为了确定光栅效率对元件和插入件的尺寸的依赖性，可以考虑高度H1和H2对入射到图17的实施例(a)中呈现的光栅上的光的反射率和透射率的影响，例如，对第1衍射级的透射率的影响与图21相关地示出，使用以下参数：λ＝625nm，d＝1000nm，n1＝1，n2＝2.25，n3＝n4＝1.514，W1＝180nm，W2＝80nm。所呈现的依赖性有助于优化系统的参数。
当衍射光栅包括非对称元件时，也可以分析系统的响应，如本公开的5.2.2节中所讨论的。图22示出了对于平面波的垂直入射，包括放置在电介质衬底上的非对称元件的衍射光栅，根据距离Ws的反射率和透射率。使用以下参数：λ＝625nm，d＝1000nm，n1＝1，n2＝2.25，n3＝n4＝1.514，W1＝180nm，W2＝80nm，H1＝340nm，H2＝220nm。更特别地，图22示出了改变插入件的位置使得可以在相同数量的正和负衍射级之间获得非对称重新分布。
Claims (12)
1.一种光学透明器件(100)，包括具有折射率n2的介电材料的主体部分(10)，所述器件被配置为当所述器件被嵌入在具有比所述折射率n2低的折射率n1的介电材料中时，根据偶然照射所述器件的电磁波在所述器件的近区中形成场强分布，其中，所述器件包括具有比所述折射率n2低的折射率n3的介电材料的至少一个插入件(11)，所述折射率n3与所述折射率n1不同，所述至少一个插入件(11)被插入到所述主体部分(10)中，所述主体部分的宽度和所述至少一个插入件的宽度被配置为使得W1-W2≥λ/2和2W1≤10λ，其中，W1对应于所述主体部分的半宽度，W2对应于所述至少一个插入件的半宽度，并且λ对应于所述电磁波在所述主体部分的所述材料中的波长，并且所述至少一个插入件和所述主体部分中的每一者分别具有由所述至少一个插入件或所述主体部分的基部表面和所述至少一个插入件或所述主体部分的侧表面形成的台阶的边缘，所述基部表面是相对于所述电磁波的到达方向而被限定的。
2.根据权利要求1所述的光学透明器件，其中，所述电磁波从所述器件的底表面入射，导致形成分别位于由以下近似公式给出的焦点位置(RfL,，HfL)和(RfR，HfR)处的两个纳米射流束：
RfL和RfR表示所述焦点位置与所述主体部分的对称轴的所述距离；
HfL和HfR表示所述焦点位置距所述器件的底表面的所述距离；
其中H1对应于所述主体部分的所述高度，W1对应于所述主体部分的所述半宽度，H2对应于所述至少一个插入件的所述高度，W2对应于所述至少一个插入件的所述半宽度，Ws对应于所述至少一个插入件的左边缘相对于所述主体部分的所述对称轴线的位置，θB2由下式给出：
以及θB1由下式给出：
3.根据权利要求1所述的光学透明器件，其中所述电磁波从所述器件的顶表面入射，导致形成分别位于由以下近似公式给出的焦点位置(RfL,，HfL)和(RfR，HfR)处的两个纳米射流束：
RfL和RfR表示所述焦点位置与所述主体部分的对称轴的所述距离；
HfL和HfR表示所述焦点位置与所述器件的底表面的所述距离；
其中H1对应于所述主体部分的所述高度，W1对应于所述主体部分的所述半宽度，H2对应于所述至少一个插入件的所述高度，W2对应于所述至少一个插入件的所述半宽度，Ws对应于所述至少一个插入件的左边缘相对于所述主体部分的所述对称轴的位置，θB2由下式给出：
以及θB1由下式给出：
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学透明器件，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组：长方体、圆柱体、圆锥体、截锥体、棱柱。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学透明器件，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的侧表面的形状。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学透明器件，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至6中任一项所述的光学透明器件，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至7中任一项所述的光学透明器件，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至8中任一项所述的光学透明器件，其中所述主体部分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，包括折射率为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至9中任一项所述的光学透明器件。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述系统进一步包括充当支撑层的具有折射率n4的介电衬底，并且其中所述至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的光学透明器件被放置在所述介电衬底上。
12.根据权利要求10或11中任一项所述的系统，其中所述系统包括多个根据权利要求1至9中任一项所述的光学透明器件，所述光学透明器件被均匀地分布在所述介电基质介质内以便形成衍射光栅。
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