CN115943329A - 包括阶梯状腔的高颜色均匀性双材料衍射光栅 - Google Patents
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Abstract
在示例性实施方案中，衍射光栅包括衬底，该衬底具有外表面，该衬底具有第一折射率。在衬底上提供多个光栅元件。光栅元件可具有阶梯状结构。在一些实施方案中，每个光栅元件包括插入衬底中的阶梯式通道。阶梯式通道具有大于第一折射率的第二折射率。在一些实施方案中，阶梯式通道是两阶梯式通道，该两阶梯式通道具有沿着衬底的外表面的第一阶梯和从第一阶梯向内延伸的第二阶梯。在一些实施方案中，第一阶梯的宽度大于第二阶梯的宽度。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年5月22日提交的名称为“包括阶梯状腔的高颜色均匀性双材料衍射光栅(High Color Uniformity Double Material Diffraction GratingComprising Step-Like Cavities)”的欧洲专利申请号20305538.9的优先权，其全部内容以引用方式并入本文。
背景技术
本公开涉及光学器件和光子的领域，并且更具体地涉及包括至少一个衍射光栅的光学装置。它可以在可适形且可佩戴的光学器件的领域中(例如，AR/VR眼镜(增强现实/虚拟现实))以及包括显示器和/或轻质成像系统(包括平视显示器(HUD))的各种其他电子消费产品中获得应用，如例如在汽车工业中。
本部分意图向读者介绍本领域的各个方面，这些方面可与下文描述和/或要求保护的本公开的各种方面有关。此讨论被认为有助于向读者提供背景信息，以促进更好地理解本文所述的系统和方法的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应当从这个角度来解读，而不是承认现有技术。
随着纳米技术的出现，探索纳米级光学世界的兴趣不断增加，这使得期望在亚波长尺度下操纵可见光。为了这个目的，研究人员已经做出了大量努力来将光学透镜的尺寸减小到微米和亚微米级；然而，由于衍射极限，当透镜的尺寸接近光的波长时，他们的努力就会受到阻碍。
平面透镜因其厚度小且聚焦能力优异而被开发用以替代其较厚的介电对应物作为典型的纳米光子部件。迄今为止，已经研究了若干种类型的平面透镜，例如波带片、纳米狭缝和纳米孔阵列、光子晶体和超表面。尽管在上述技术中使用了不同的术语，但是这些术语享有相同的聚焦原理，即通过使入射平面波的相位波前弯曲而在焦点处生成相长干涉。实际上，电磁波的聚焦(或光束形成)是一种建立方式，用以局部地增加电场的幅度，并且以这种方式提高传感器的效率，例如光电传感器，其操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。
平面透镜的性能已通过复杂的设计得到改进。然而，到目前为止，大多数提议缺乏控制焦点位置或改变电磁光束取向的可能性。
存在许多光学装置，这些光学装置包括实现光聚焦和偏离功能的部件。其中有在各种照相机/摄像机中使用的数字图像传感器、在AR/VR眼镜中使用的光学组合器以及作为各种光捕获和光处理装置的主要部分的光导系统。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、衍射透镜和衍射光栅。
变换光学(TO)允许通过使用具有空间变化参数的精心设计的材料来控制电磁(EM)场的可能性。控制EM波的这种灵活性对于设计具有难以实现的性能或特殊期望性质的新型装置似乎是方便的。
提供改变电磁辐射光束传播方向可能性的透镜由J.Yi等人在“基于全介电变换光学透镜的相干光束控制(Coherent beam control with an all-dielectrictransformation optics based lens)”(《科技报告》，卷6，文章编号：18819(2016))中提出。
激发源透射穿过对应于经变换的介质的透镜，该透镜使光束远离法线方向偏转。呈现梯度介电常数轮廓的全介电紧凑型低成本透镜原型通过三维(3D)多点喷射印刷技术来制造。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用作透镜的激发源。
实现在亚波长尺度下操纵可见光的一种可能的方法使用表面等离激元；这些基于表面等离激元的透镜或所谓的等离激元透镜可以实现亚波长尺度的聚焦区。然而，为了完全实现等离激元透镜的潜力，不仅需要聚焦光，而且需要在小尺度下操纵和精确定位光。在Ya.Zhao等人的“经由等离激元透镜的光束弯曲(Beam bending via plasmonic lenses)”(《光学快报》，卷18，编号22 23458(2010))中，旨在提供一种更实用的方法来利用等离激元透镜实现定向调制。提出了可以沿着横向于传播方向的方向使光弯曲的等离激元透镜的设计原理。光弯曲通过构建用于等离激元透镜的用心设计的弯曲相位波前来实现。对相位波前轮廓的控制通过两种机制来实现：由透镜中各个狭缝的宽度和形状引起的相位延迟，以及这些狭缝的位置。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。
最近，使用等离激元天线结构对物体进行近场光学捕获引发了关注。然而，金属纳米结构还为中场和远场光束的一般波前工程提供了紧凑型平台。Yo.C.Jun等人在“利用等离激元光束成形天线结构的光学操纵(Optical Manipulation with Plasmonic BeamShaping Antenna Structures)”(《光电子学进展》，卷2012，文章编号595646)中分析了由等离激元光束成形天线结构生成的光学力，并且表明这种光学力可以用于一般光学操纵，诸如沿着线性或曲线轨迹引导介电颗粒。非对称狭缝-凹槽结构以一定角度生成准直光束。任一侧上的不同凹槽周期在离轴方向上生成相长干涉。作者还证明，不同的波长导致不同的干涉条件和光束方向。
超表面可以提供解决方案来实现呈紧凑且平面构型的复杂光学系统。在M.Khorasaninejad等人的“用于紧凑型高分辨率光谱的超色散离轴超透镜(Super-Dispersive Off-Axis Meta-Lenses for Compact High Resolution Spetrcoscopy)”(《纳米快报》，卷16，编号6,3732(2016))中提出了以高光谱分辨率同时使不同波长的光聚焦和色散的离轴超透镜。这些离轴超透镜是经由旋转的硅纳米鳍基于几何相位来设计的，并且可以80°的角度聚焦光。
已出现各种策略来实现平面透镜的可调谐性，其中希望从预定结构操纵透射相位波前。例如，Liu Z.等人在以下文章中证明了改变入射光的角度以调谐等离激元透镜的聚焦位置：“通过入射角调谐等离激元透镜的聚焦(Tuning the focus of a plasmonic lensby the incident angle)”(《应用物理快报》，卷88,171108(2006))。静态等离激元装置中包含主动可调谐性可以增强其功能性。折射率可变材料通常结合在等离激元装置和光学超表面中，包括液晶、二氧化钒、硅和其他材料。因此，可操纵在梯度折射率超透镜中激发的导模的光学相位，以便在光子装置的聚焦行为中实现一定程度的可调谐性。Y.Chen等人在以下文章中还提出了由填充有相变材料Ge2SB2Te5(GST)的狭缝阵列组成的平面超透镜来设计远场聚焦图案：“用基于相变材料的平面透镜设计光的相位波前(Engineering the phasefront of light with phase-change material based planar lenses)”(《科技报告》，卷5，文章编号：8660(2015))。
等离激元透镜在光学波长范围内的功能性可能遭受高吸收损耗。还存在一些降低所提出的拓扑结构的有效性的制造困难。发现使用介电材料可能可以解决如下问题：实现控制电磁光束的位置和偏离的所需功能。
还存在多个近场聚焦部件，其实现亚波长分辨率但不能完全产生光偏离功能。光子纳米喷射(NJ)是在照射的透明介电对称体的阴影表面附近形成的窄的高强度光学辐射通量，其直径与入射光辐射的波长相当或稍大。光子纳米喷射形成的物理起源来自于经衍射并通过颗粒的辐射净通量的干涉(相长干涉和相消干涉两者)(参见例如S.C.Kong等人的“光子纳米喷射实现的光学数据存储(Photonic nanojet-enabled optical datastorage)”(《光学快报》，卷16，编号18,2008)，V.Pacheco-Pena等人的专利文件US 7 394535，“由介电立方体产生的太喷射(Terajets produced by dielectric cuboids)”(《应用物理快报》，卷105,084102，2014)，以及V.Pacheco-Pena等人的“太喷射的多频聚焦和广角扫描(Multifrequency focusing and wide angular scanning of terajets)”(《光学快报》卷40，编号2，第245-248页，2015))。
光子纳米喷射的一个特征是光场在纵向方向(相对于入射方向)上的高空间定位，这与传统的高NA(数值孔径)聚焦光学器件相比，可以导致光子喷射的亚波长尺度。对纳米喷射效应的共同兴趣主要是由其在纳米光子学、生物学、医学和纳米电子学中实际应用的前景引起的。一些装置的工作原理基于纳米喷射在微粒附近的局部空间区域中提供高强度电磁场的能力以及基于对场和材料源两者的扰动的高灵敏度。
受控纳米喷射特性的操纵以及通过光学元件性质的变化产生更薄或更长且加强的喷射的问题引起了越来越多的关注。纳米喷射形状和强度均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“光子纳米喷射的光学器件(Optics ofphotonic nanojets)”(《美国光学学会杂志A》，卷22,2847(2005))，A.Heifetz等人的“位于米氏共振介电微球体的纳米喷射内的金纳米球的次衍射光学分辨率(Subdiffractionoptical resolution of a gold nanosphere located within the nanojet of a Mie-resonant dielectric microsphere)”(《光学快报》，卷15,17334(2007))，以及A.Devilez等人的“具有介电微球体的光的三维亚波长限制(Three-dimensional subwavelengthconfinement of light with dielectric microspheres)”(《光学快报》，卷17,2089(209))。
此外，如果纳米喷射通过以下材料产生：由具有不同折射率的若干同心壳层组成的复合径向非均匀颗粒(参见例如Yu Shen等人的“由两层介电微球体形成的超长光子纳米喷射(Ultralong photonic nanojet formed by a two-layer dielectricmicrosphere)”(《光学快报》，卷39，编号14,4120(2014)，C.M.Riuz等人的“使用伸长光子纳米喷射检测嵌入式超亚波长薄介电特征(Detection of embedded ultra-subwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets)”(《光学快报》，卷18，编号16,16805(2010)，Yu E.Geints等人的“层状径向非均匀微米级球形颗粒的光子纳米喷射计算(Photonic nanojet calculations in layered radially inhomogeneousmicrometer-sized spherical particles)”(《美国光学学会杂志B》，卷28，编号8,1825(2011)，以及G.Gu等人的“从液体填充的中空微柱体生成的超长光子纳米喷射(Super-longphotonic nanojet generated from liquid-filled hollow microcylinder)”(《光学快报》，卷40，编号4,625(2015))；或梯度折射率材料(X.Mao等人的“由普通龙勃透镜形成的可调谐光子纳米喷射(Tunable photonic nanojet formed by generalized Luneburglens)”(《光学快报》卷23，编号20,026426(2015))，则纳米喷射特性可以显著改变，具体地讲，其将变为可能使光子喷射异常伸长并且还可能进一步放大电场。
AR/VR眼镜被视为是新一代人机界面。AR/VR眼镜(以及更一般的眼镜防护电子装置)的开发与许多挑战相关联，包括减少此类装置的尺寸和重量以及改进图像质量(就对比度、视场、颜色深度等而言)，该图像质量应足够真实，以实现真正的沉浸式用户体验。
光学的图像质量和物理尺寸之间的权衡促动研究超紧凑光学部件，该超紧凑光学部件可以用作更复杂的光学系统(诸如AR/VR眼镜)的构建块。期望此类光学部件易于制造和复制。
在此类AR/VR眼镜中，各种类型的折射和衍射透镜和光束形成部件用于将来自微型显示器或投影仪的光朝向人眼引导，从而允许形成与用肉眼看到的物理世界的图像叠加的虚拟图像。
一些类型的AR/VR眼镜利用光学波导，其中光仅在有限的内角度范围内通过TIR(指代全内反射(Total Internal Reflection))传播到光学波导中。波导的FoV(指代视场(Field of View))取决于波导的材料以及其他因素。
例如，在WO2017180403中，提出了具有延长视场的波导，其中使用双模式图像传播。在此方法中，使用衍射模式+1来在一个方向上承载右手侧图像(在内耦合器(in-coupler)上的负入射角)，并且使用-1模式将正入射角传播到波导中的相反方向。在WO2017180403中，由于瞳孔扩展器和波导出口处的外耦合器(out-coupler)，将这两个半图像进行组合，使得用户看到单个图像。该系统的目标是使视场加倍，因为每个半图像可以在每个传播方向上使用波导的整个角度带宽。
使用高于一的衍射级具有将波长乘以在衍射方程中使用的衍射级的效果。由于光栅间距直接是乘积Mλ的函数，这意味着光栅间距乘以M。可以使用每毫米线数较少的光栅密度，并且可以通过使用过波长结构而不是亚波长结构来简化制造过程。
使用±2衍射级的光学波导提供了约60°的FoV，其中折射率为1.52。因此，可能使用折射率为1.52的材料，而不是单模式中的2，来获得60°视场。然而，60°FoV仍然相对于总人类视场而被限制，在该总人类视场中立体视觉对人类视觉有效并且为约114°。
基于波导的AR/VR眼镜可以沿着一个方向(例如，沿水平方向)表现出宽视场，但沿着另一方向(例如，沿垂直方向)可能具有较窄的视场。然而，由于AR/VR应用通常需要特定的纵横比，因此出于实际目的，沿着一个方向的视场限制可能会有效地限制沿着另一个方向的视场。
发明内容
说明书中的“一个实施方案”、“实施方案”、“示例性实施方案”等指示所描述的实施方案可以包含特定特征、结构或特性；但不是每个实施方案必然包括特定特征、结构或特性。而且，此类短语不一定是指相同的实施方案。此外，当结合实施方案描述特定特征、结构或特性时，此类特征、结构或特性可以与其他实施方案结合使用，无论是否明确地描述。
根据一些实施方案的衍射光栅包括：衬底，该衬底具有外表面，该衬底具有第一折射率；和多个光栅元件，每个光栅元件包括插入衬底中的阶梯式通道，该阶梯式通道具有大于第一折射率的第二折射率。在一些实施方案中，阶梯式通道是两阶梯式通道，该两阶梯式通道具有沿着衬底的外表面的第一阶梯和从第一阶梯向内延伸的第二阶梯，第一阶梯的宽度大于第二阶梯的宽度。
根据一些实施方案的制作衍射光栅的方法包括：在具有第一折射率的衬底的外表面中形成多个阶梯式通道；以及用具有大于第一折射率的第二折射率的材料填充阶梯式通道中的每个阶梯式通道。在一些实施方案中，该阶梯式通道中的每个阶梯式通道是两阶梯式通道，该两阶梯式通道具有沿着衬底的外表面的第一阶梯和从第一阶梯向内延伸的第二阶梯，第一阶梯的宽度大于第二阶梯的宽度。
在一些实施方案中，阶梯式通道的外表面与衬底的外表面基本上共面。
在一些实施方案中，第一阶梯的宽度是第二阶梯的宽度的基本上两倍。
在一些实施方案中，第一阶梯的侧边缘与第二阶梯的侧边缘基本上对准。
在一些实施方案中，第一阶梯具有宽度W和高度h1，其中
并且其中，
其中
其中nL是第一折射率，并且nH是第二折射率。
在一些实施方案中，阶梯式通道的高度h2是第一阶梯的高度h1的不到两倍。
在一些实施方案中，衬底是波导显示器中的波导。
附图说明
图1A是波导显示器的横截面示意图。
图1B是具有衍射光学部件的第一布局的双目波导显示器的示意图。
图1C是具有衍射光学部件的第二布局的双目波导显示器的示意图。
图1D是根据一些实施方案的双波导显示器的示意性分解图。
图1E是根据一些实施方案的双波导显示器的横截面示意图。
图2是示出根据一些实施方案的衍射光栅中的两个单元格的横截面图。光栅元件可被描述为阶梯状光学元件。
图3A是根据一些实施方案的衍射光栅中的单元格的横截面图。
图3B是根据附加实施方案的衍射光栅中的单元格的横截面图。
图4A是根据一些实施方案的衍射光栅的一部分的横截面图。虽然在图4A中示出了三个单元格，但是根据一些实施方案的衍射光栅可包括数十、数百或数千个单元格的阵列。
图4B是根据一些实施方案的如图4A中的衍射光栅的一部分的示意性剖面透视图。
图5A至图5C是示出针对电磁波入射角α绘制的反射率和透射率的模拟结果的曲线图。在所有模拟中，λ＝625nm，d＝494nm，n1＝1.0，n3＝1.5154。在图5A中，n2＝2.8，W＝300nm，h1＝255nm，h2＝475nm。在图5B中，n2＝2.6，W＝300nm，h1＝295nm，h2＝500nm。在图5C中，n2＝2.4，W＝380nm，h1＝420nm，h2＝680nm。
图6A至图6D是根据一些实施方案的在制造过程中处于渐进式阶段的衍射光栅和衬底的一部分的示意性横截面图。
图7A和7B示出了对于n1＝1.0、n2＝2.8、n3＝1.5154，反射率和透射率相对于电磁波入射角(α)(这里以弧度示出)的模拟值。在图7A中，λ＝460nm，d＝365.7nm，W＝220nm，h1＝190nm，h2＝350nm。在图7B中，λ＝530nm，d＝421.4nm，W＝260nm，h1＝220nm，h2＝400nm。
具体实施方式
波导显示器的概述
本文描述了可以在光学波导装置中采用的系统和方法。图1A中示出了示例性波导显示装置。图1A是操作中的波导显示装置的示意性横截面侧视图。图像由图像生成器102投影。图像生成器102可以使用各种技术中的一种或多种技术来投影图像。例如，图像生成器102可以是激光束扫描(LBS)投影仪、液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器(包括有机LED(OLED)或微型LED(μLED)显示器)、数字光处理器(DLP)、硅上液晶(LCoS)显示器或其他类型的图像生成器或光引擎。
表示由图像生成器102生成的图像112的光通过衍射内耦合器106耦合到波导104中。内耦合器106将表示图像112的光衍射成一个或多个衍射级。例如，作为表示图像底部的一部分的光线中的一条光线108由内耦合器106衍射，并且衍射级110中的一个衍射级(例如，二级)处于使得其能够通过全内反射传播通过波导104的角度。
通过衍射内耦合器106耦合到波导104中的光110的至少一部分通过衍射外耦合器114耦合出波导。耦合出波导104的至少一些光复制耦合到波导中的光的入射角。例如，在图示中，外耦合的光线116a、116b和116c复制内耦合的光线108的角度。由于离开外耦合器的光复制进入内耦合器的光的方向，所以波导基本上复制原始图像112。用户的眼睛118可以看见复制的图像。
在图1A的示例中，外耦合器114仅通过每次反射外耦合光的一部分，允许单个输入束(诸如光束108)生成多个并行输出光束(诸如光束116a、116b和116c)。以此方式，即使眼睛不与外耦合器的中心完全对准，来源于图像的每个部分的至少一些光可能到达用户的眼睛。例如，如果眼睛118向下移动，即使光束116a和116b没有进入眼睛，光束116c也可以进入眼睛，因此尽管位置偏移，用户仍然可以感知到图像112的底部。因此，外耦合器114部分地操作为竖直方向上的出射瞳孔扩展器。波导还可以包括一个或多个额外出射瞳孔扩展器(图1A中未示出)，以在水平方向上扩展出射瞳孔。
在一些实施方案中，波导104相对于源自波导显示器外部的光至少部分透明。例如，来自真实世界物体(诸如物体122)的至少一些光120穿过该波导104，允许该用户在使用该波导显示器时看到真实世界物体。由于来自真实世界物体的光120也穿过衍射光栅114，因此将存在多个衍射级并因此存在多个图像。为了最小化多个图像的可见性，期望零级衍射(不被114偏差)对于光120具有很大的衍射效率以及零级，而较高的衍射级能量较低。因此，除了扩展和外耦合虚拟图像之外，外耦合器114优选地被配置为通过实际图像的零级。在此类实施方案中，由波导显示器显示的图像可能似乎叠加在真实世界上。
在一些实施方案中，如下文进一步详细描述的，波导显示器包括多于一个波导层。每个波导层可以被配置为优先将具有特定波长范围和/或入射角的光从图像生成器输送到观看者。
如图1B和图1C所示，具有内耦合器、外耦合器和瞳孔扩展器的波导显示器可以具有各种不同配置。图1B中示出了一个双目波导显示器的示例性布局。在图1B的示例中，显示器分别包括左眼和右眼的波导152a、152b。波导包括作为外耦合器和水平瞳孔扩展器操作的内耦合器154a、154b、瞳孔扩展器156a、156b和部件158a、158b。瞳孔扩展器156a、156b沿内耦合器和外耦合器之间的光学路径布置。图像生成器(未示出)可以提供给每只眼睛，并且被布置成投射表示相应内耦合器上的图像的光。
图1C中示出了另一双目波导显示器的示例性布局。在图1C的示例中，显示器分别包括左眼和右眼的波导160a、160b。波导包括内耦合器162a、162b。来自图像的不同部分的光可以由内耦合器162a、162b耦合到波导内的不同方向。朝向左侧行进的内耦合光穿过瞳孔扩展器164a、164b，而朝向右侧行进的内耦合光穿过瞳孔扩展器166a、166b。已经穿过瞳孔扩展器，使用部件168a、168b将光耦合出波导，所述部件作为外耦合器和竖直瞳孔扩展器两者操作以基本上复制在内耦合器162a、162b处提供的图像。
在不同实施方案中，波导显示器的不同特征可以设置在波导的不同表面上。例如(如图1A的配置中)，内耦合器和外耦合器都可以布置在波导的前表面上(远离用户的眼睛)。在其他实施方案中，内耦合器和/或外耦合器可以在波导的后表面上(朝向用户的眼睛)。内耦合器和外耦合器可以在波导的相对表面上。在一些实施方案中，内耦合器、外耦合器和瞳孔扩展器中的一者或多者可以存在于波导的两个表面上。图像生成器可以朝向波导的前表面或朝向波导的后表面布置。内耦合器不一定在波导与图像生成器的同一侧上。波导中的任何瞳孔扩展器可以布置在波导的前表面上、后表面上或两个表面上。在具有多于一个波导层的显示器中，不同的层可以具有内耦合器、外耦合器和瞳孔扩展器的不同配置。
图1D是根据一些实施方案的双波导显示器的示意性分解视图，包括图像生成器170、第一波导(WG1)172和第二波导(WG2)174。图1E是根据一些实施方案的双波导显示器的示意性侧视图，包括图像生成器176、第一波导(WG1)178和第二波导(WG2)180。第一波导包括第一透射衍射内耦合器(DG1)180和第一衍射外耦合器(DG6)182。第二波导具有第二透射衍射内耦合器(DG2)184、反射衍射内耦合器(DG3)186、第二衍射外耦合器(DG4)188和第三衍射外耦合器(DG5)190。不同的实施方案可以使用第一波导和第二波导上的光学部件(诸如瞳孔扩展器的不同布置)的不同布置。
虽然图1A至图1E示出了在近眼显示器中使用波导，但是相同原理可以用于其他显示技术，诸如用于汽车或其他用途的平视显示器。
衍射光学元件的概述
本公开涉及光学器件和光子领域，并且更具体地涉及平面光学装置。
更具体地但不完全地，本公开涉及包含近场聚焦和在近场区域元件中形成光束的衍射光栅，该衍射光栅可以用于宽范围的装置(例如显示器(包括用于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)、用于照相机/摄像机/光场相机的光学传感器、生物/化学传感器(包括片上实验室传感器)、显微镜、光谱学和计量系统、太阳能电池板等)中。
本文所述的一些实施方案提供了双材料介电衍射光栅的拓扑结构。在一些实施方案中，该拓扑结构提供了良好的衍射效率和衍射均匀性。在一些实施方案中，保护光学元件免受机械损坏和劣化。
随着纳米技术的出现，探索纳米级光学世界的兴趣使得期望在亚波长尺度下操纵可见光。为了这个目的，研究人员已经做出了大量努力来将光学透镜的尺寸减小到微米和亚微米级；然而，由于衍射极限，当透镜的尺寸接近光的波长时，他们的努力就会受到阻碍。
平面透镜因其厚度小且聚焦能力优异而被开发用以替代其介电对应物作为典型的纳米光子部件。迄今为止，已经研究了若干种类型的平面透镜，例如波带片、纳米狭缝和纳米孔阵列、光子晶体和超表面。尽管在上述技术中使用了不同的术语，但是这些术语享有相同的聚焦相干波原理，即通过使入射平面波的相位波前弯曲而在焦点处产生相长干涉。平面透镜的性能已通过复杂的设计得到改进。然而，在使用平面透镜的情况下，可能难以控制焦点位置或改变电磁光束的取向。
期望提供实现聚焦和偏离功能的光学部件。实现此类功能的可用解决方案(通常用于光学应用)可能由于新兴纳米光子应用的性能特性(例如色差和有限的分辨率)和制造困难而不能完全满足其需要。
因此，引入实现期望光聚焦和偏离功能的新部件具有一定的实际意义。此类装置的附加期望特征是亚波长分辨率以及与已确立的微米和纳米制造技术相容的简单拓扑结构。
经优化以在除了零级的衍射级中实现良好光栅效率的衍射光栅可以在远场区域中提供光偏离功能。一些实施方案包括双材料光学元件，该双材料光学元件为了在远场区域中的目标光分布目的而在近场区域中使入射光偏离和聚焦。
在WO2019175010A1“包括双材料结构的衍射光栅(Diffraction gratingcomprising double-materials structures)”中提出了基于不同材料组合的基于纳米喷射的近场聚焦部件。其中描述的一些实施方案使用纳米喷射(NJ)概念。纳米喷射光束形成光学元件由具有不同折射率的至少两种介电材料的组合形成，该介电材料在垂直截面中具有非对称系统。这种变换导致经聚焦的纳米喷射光束的偏离。已经证明，此类用于通过双材料系统使光偏离的性质可以有利地用于衍射光栅中。改变构成部分的折射率有可能改变光栅的性能并使折射透射率显著地增加±1级。已知的衍射光栅轮廓包括在US 2016/0231568中例示的那些，其中衍射光栅由深倾斜结构组成。
还将期望提供一种新型光学装置，其将在性能特性和制造困难方面完全满足新兴纳米光子应用的需要。换句话讲，还将期望提供一种新型光学装置，此类装置具有与已确立的微米和纳米制造技术相容的拓扑结构。
纳米喷射光学聚焦的概述
示例性实施方案提供了基于纳米喷射的聚焦部件，其能够使聚焦光束在近区和远区中偏离。此类通过单个部件使光偏离的性质可有利地用于具有非对称强度分布(Tj≠T-j，Rj≠R-j，……，其中j是衍射级)的衍射光栅中，以为期望的衍射级提供高光栅效率。在所提出的元件具有W≤λ的情况下，最大输入对应于±1级。示例性实施方案提供了高衍射均匀性和一级效率。
示例性实施方案提供了衍射元件的拓扑结构，以控制经聚焦的纳米喷射光束的位置并改变纳米喷射光束取向的方向。一些实施方案使用具有阶梯状几何形状的光学元件。在一些实施方案中，阶梯状拓扑结构提供了源自系统边缘的纳米喷射光束的组合，从而有助于形成从法线方向偏转的最终纳米喷射光束。横截面和聚焦功能示意性地表示在图2中。所生成的纳米喷射光束的特性由阶梯状系统的相应部分的参数控制，诸如形成系统的介电材料之间的折射率比率、腔的尺寸以及照射波的入射角。
一些实施方案包括用于衍射光的衍射光栅，该衍射光栅包括具有阶梯状光学元件的多个光栅单元格。在一些实施方案中，光学元件定位在衬底表面上。在其他实施方案中，阶梯状光学元件包括衬底中的由具有较高折射率的介电材料填充的阶梯状腔或通道。衍射光栅的第二变体表示被保护以免受机械损坏的光学元件，并且可具有更简单的制造过程。
已经由2D和3D双层光学元件的全波电磁分析在数值上验证了示例性实施方案。为简单起见，该分析假设所有材料是无损和非色散的。该分析表明，平面波在基于不同介电材料的组合的光学元件上的衍射可以导致在法向入射情况下纳米喷射偏离法线方向。可以通过改变构成部分/块的折射率和尺寸来控制焦点的位置、偏离角、纳米喷射光束的强度和形状。阶梯状衍射光栅实现了强度的非对称分布，从而导致针对期望衍射级的高光栅效率。在使用具有W≤λ的元件的一些实施方案中，最大输入对应于±1级。一些实施方案对于第一衍射级表现出非常高的衍射均匀性(约95％)。
示例性实施方案的拓扑结构
图2示出了一些实施方案中的双材料光学元件的一般拓扑结构。图2示出了光学部件的切开部分，其中示出了插入衬底206中的两个光栅元件202和204。每个光栅元件可被描述为插入衬底中的阶梯式通道。光栅元件具有折射率n2，该折射率在一些实施方案中大于衬底的折射率n3。环境介质可具有折射率n1。在该实施方案中，每个光栅元件具有两个阶梯，第一阶梯208被布置成沿着衬底的外表面(例如基本上与其共面)，并且第二阶梯210从第一阶梯向内(在图2中，向下)延伸。第一阶梯和第二阶梯可彼此接续，图2的虚线仅为了清楚起见而示出。在图2的实施方案中，第一阶梯的宽度大于第二阶梯的宽度。在示例性实施方案中，第一阶梯的侧边缘(图2中的左侧边缘)与第二阶梯的对应侧边缘对准。
因此，图2的横截面图对应于折射率为n2的单一材料阶梯状元件，其嵌入在折射率为n3(n2>n3)的均匀介电介质中。整个系统置于折射率为n1的均匀主介质内部。在一些情况下，n1可以等于n3。在下文中，可以选择构成部分的材料和尺寸，以便管理纳米喷射热点的位置以及纳米喷射光束的强度、方向和偏离角度。一些实施方案使用平行于z轴的垂直边缘以及平行于xy平面的顶面/底面，其对应于底角α＝90°。然而，在一些实施方案中，还可使用一些棱柱状结构(具有任意底角)。底角值的变化在控制纳米喷射光束辐射方面提供了附加自由度。
两个衍射光栅单元格的拓扑结构在图3A至图3B中示出。图3A示出了具有阶梯状元件的衍射光栅，诸如折射率为n2的元件302，其由折射率为n1的均匀介质容纳并且置于折射率为n3(n2,3>n1)的衬底表面304上。在一些实施方案中，n2>n3。光栅元件302具有阶梯式结构，其中第一阶梯306的宽度大于第二阶梯308的宽度。第二阶梯308位于衬底304的外表面上，并且第一阶梯从第二阶梯向外(在图3A中，向上)延伸。在示例性实施方案中，第一阶梯的侧边缘(图3A中的左侧边缘)与第二阶梯的对应侧边缘对准。图3B对应于折射率为n2的阶梯状光学元件的周期性阵列，该阶梯状光学元件嵌入折射率为n3(n2>n3>n1)的衬底中，如图2所示。光栅常数或光栅周期是d。线性偏振平面波可在垂直于光栅的平面中从顶部入射到光栅上。在图4A至图4B中示出了具有第二类型单元格的光栅的实施方案。
在一些实施方案中，阶梯状元件由折射率大于衬底折射率的材料制成。用于阶梯状元件的材料的示例包括二氧化钛(TiO2)和氮化硅(Si3N4)。
在一些实施方案中，衍射光栅可被配置用于例如λ＝625nm或其他波长。在一些示例中，光栅可具有以下参数：d＝494nm，W＝300nm，h1＝295nm，h2＝500nm，n1＝1.0，n2＝2.6，n3＝1.5154。
图6A至图6D中示出了根据一些实施方案的制作衍射光栅的方法。如图6A中所示，提供了衬底600。衬底600具有第一折射率n3。衬底600可为例如用于波导显示器的波导。如图6B中所示，例如通过化学或机械蚀刻在衬底600的外表面中形成多个阶梯式通道。如图6C中所示，每个阶梯式通道用具有第二折射率n2的材料填充，该第二折射率大于第一折射率n3。在一些实施方案中，可执行任选的抛光或其他平滑方式以提供如图6D中所示的齐平外表面。此类外表面可比具有突出光栅元件的表面更耐刮擦和损坏。任选地，可在图6D中所示的衍射光栅结构上施加附加的保护层或光学层或涂层(例如，抗反射涂层)。
示例性实施方案的性能
用于纳米喷射光束偏转的光栅元件的材料和尺寸的组合可根据下面描述的公式和技术来选择。
衍射光栅的总响应受到进入周期的单个元件的边缘衍射现象的影响，如在以下文章中所述：A.Boriskin、V.Drazic、R.Keating、M.Damghanian、O.Shramkova、L.Blondé的“通过边缘衍射的近场聚焦(Near field focusing by edge diffraction)”，《光学快报》，2018(“Boriskin等人”)。使用COMSOL Multiphysics软件获得下文所示的数据。所提出的对光栅的超元件(meta-element)内的场和功率分布的分析有助于解释该现象的物理学原理，并且允许选择提供期望性质的拓扑结构。该分析假设系统由线性偏振平面波E＝{0,0,1}照射。考虑单个超元件的参数对系统功能的影响。
如Boriskin等人所描述的，光束形成现象与系统的边缘相关联，并且纳米喷射光束辐射角由斯涅尔定律定义。对于入射波的法向入射，针对纳米喷射光学元件的构成部分的纳米喷射光束辐射角可以被确定为容纳该元件的介质的折射率nL(对于图3AnL＝n1，并且对于图3BnL＝n3)和光学元件的材料的折射率nH(nH＝n2)与元件的底角之间的比率的函数。(本分析针对具有垂直边缘的元件，其中底角等于90°)。对于折射率为nH的纳米喷射光学元件的主要部分，纳米喷射光束辐射角可以使用以下近似公式来确定：
其中
是临界折射角。对于示例性实施方案，元件顶部上的具有宽度W和高度h1的大阶梯的两个相对边缘将会产生两个类似的纳米喷射，如图2所示。一个纳米喷射(NJ2)将穿透到宽度为W/2的第二阶梯中而不变形。另一个纳米喷射(NJ1)将由下部阶梯的右边缘反射。这两个纳米喷射与由第二阶梯生成的纳米喷射的组合将会增加在超透镜的底表面处获得的最终光束的强度。下面是可用于在元件内获得此类纳米喷射组合的元件参数的示例性公式。由元件顶部上的大块的外部边缘生成的两个对称纳米喷射NJ1和NJ2的交叉点(热点)可用于选择该块的近似高度，其可以估计为：
此处，W是顶部上的较大阶梯的全宽度，其可考虑系统的全尺寸或在衍射光栅情况下的单元格宽度(W<d)来选择。可选择第二阶梯的高度，以对应于提供针对在元件外部生成的总纳米喷射的期望偏向角的值。为了防止光学元件的左外壁对纳米喷射的附加反射，高度可选择成使得(h2-h1)<h1。
使用这些光学元件来形成衍射光栅，阶梯状元件的尺寸可选择成增加用于电磁波的倾斜入射的衍射均匀性。为此，可考虑到对于倾斜入射，NJ1和NJ2的偏向角可能不相等，并且取决于入射角，光学元件的边缘可能存在多个纳米喷射反射。
基于阶梯状元件的衍射光栅可具有以下性能特性。下面针对图3B中呈现的单元格的情况提供了数值模拟的结果。该模拟假定线性偏振平面波在垂直于光栅的平面中从顶部入射到光栅上。衍射光束的角度不受光学元件结构的影响。相反，衍射光束的角度由光栅周期、入射平面波的波长和波入射角来确定，并且可以根据光栅方程计算。
图4A是根据图3B配置的衍射光栅的一部分的横截面图。虽然在图4A中示出了三个单元格，但是根据一些实施方案的衍射光栅可包括数十、数百或数千个单元格的阵列。图4B是如图4A中的衍射光栅的一部分的示意性剖面透视图，其示出了四个单元格。
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光学元件(相同间隔的规则结构)的衍射光栅不同，基于双材料元件的示例性衍射光栅实现了强度的非对称分布(Tj≠T-j，Rj≠R-j，其中j是衍射级)，从而导致针对期望衍射级的最大光栅效率。在元件具有W≤λ的情况下，最大输入对应于±1级。
图5A至图5C中绘制了经计算的TE入射的反射率和透射率。这些曲线图示出了对于具有n3＝1.5154的衬底(图3B、图4A至图4B)且具有d＝494nm的周期的光栅以及被配置用于元件折射率n2的阶梯状光学元件，在λ＝625nm处，针对零级(R0)的反射率以及针对负一级(T-1)、零级(T0)和正一级(T1)的透射率。对双材料元件的2D阵列进行全波电磁分析。该计算假设系统在X和Y方向上是无限的。可以看出，改变折射率n2会改变光栅的性能并改变一级的折射透射率。n2＝2.8和n2＝2.6的系统的衍射均匀性约为95％。所提出的衍射光栅拓扑结构的此类性质可以用于将光耦合到波导中。从图5A至图5C明显看出，衍射一级的最大强度对应于具有较高折射率n2(n2＝2.8)和较小尺寸构成部分的元件。这可理解为纳米喷射偏离的角度更大的结果。
图5A至图5C是示出针对电磁波入射角α绘制的反射率和透射率的模拟结果的曲线图。在所有模拟中，λ＝625nm，d＝494nm，n1＝1.0，n3＝1.5154。在图5A中，n2＝2.8，W＝300nm，h1＝255nm，h2＝475nm。在图5B中，n2＝2.6，W＝300nm，h1＝295nm，h2＝500nm。在图5C中，n2＝2.4，W＝380nm，h1＝420nm，h2＝680nm。
如图6A至图6C中所示，通过比较具有不同入射角的阶梯状元件的示例性衍射光栅的功率分布，可以观察到，由于元件边缘反射而造成纳米喷射重新分布，从而提供透射一级的均匀强度。可以看出，由于折射率为n2的元件的壁对纳米喷射进行折射，因此可能改变纳米喷射光束在底部边界(具有宽度W/2和高度h2-h1的第二块的底部边缘)处的位置和方向，从而导致在正一和负一衍射级之间的衍射效率的重新分布。对位置(X和Z坐标(光学元件的底部边缘对应于Z＝0，单元格的对称轴对应于X＝d/2)，在图6A至图6C中)和在单个单元格的情况下的纳米喷射热点的峰值功率强度的相关性的分析示出了纳米喷射热点位于元件的靠近光学元件底部边缘的第二较小块内部。
为了在用于真彩图像的波导系统中使用，可能期望配置用于至少三个波长的结构。图7A和图7B中绘制了所计算的蓝色和绿色波长的反射率和透射率。图7A和图7B示出了对于n1＝1.0、n2＝2.8、n3＝1.5154，针对电磁波入射角(α)绘制的针对零级(R0)的反射率和透射率以及针对负一级(T-1)、零级(T0)和正一级(T1)的透射率的模拟值。在图7A中，λ＝460nm，d＝365.7nm，W＝220nm，h1＝190nm，h2＝350nm。在图7B中，λ＝530nm，d＝421.4nm，W＝260nm，h1＝220nm，h2＝400nm。
另外，n2＝2.8的这些系统的衍射均匀性约为95％。对于上文所提供的模拟，假设所有材料都是无损和非色散的。所呈现的模拟可以适于色散材料，而没有针对三种颜色的折射率的显著变化。对于所有颜色，该系统显示出非常高的透射率。在一些实施方案中，这种三个波导的系统可用作用于没有颜色校正的增强现实显示器的内耦合器。所有三种颜色的高均匀性避免了图像信号的部分专用于校正亮度和颜色均匀性。
示例性实施方案包括使聚焦光束在近区中偏离的阶梯状微型元件。
在一些实施方案中，嵌入到介电衬底中的阶梯状元件的周期性阵列可以被认为是具有非对称强度分布的衍射光栅，并且导致针对期望衍射级的高光栅效率。一些实施方案提供了针对相应级的高衍射均匀性(例如>95％)。
由于衍射光栅的平坦表面，一些实施方案提供了结构的相对易于制造性和鲁棒性。例如，制造可通过以下方式进行：化学或机械蚀刻或以其他方式在衬底中形成阶梯形通道并用折射率大于衬底折射率的材料填充阶梯形通道。
在一些实施方案中，针对三个波长的光栅配置使三个波导的系统用作用于没有颜色校正的增强现实显示器的内耦合器。
示例性实施方案可能在各种光学系统中实现，这些光学系统操作以使图像或一些光与微结构偏离，优点包括制造的简单性和鲁棒性。示例性应用领域是头戴式显示器、用于使光收集最大化的太阳能电池板、OLED显示器光提取，等等。
虽然上述示例主要涉及使用被配置成用于可见光的装置，但其他实施方案被配置成使用较长或较短波长，诸如红外线或紫外线，或使用电磁波谱的其他部分的波。此类实施方案可以采用针对其所设计的波长透明的材料。
根据一些实施方案的衍射光栅包括：衬底，该衬底具有外表面，该衬底具有第一折射率；和多个光栅元件，每个光栅元件包括阶梯式结构，其中该阶梯式结构具有大于第一折射率的第二折射率，并且其中该阶梯式结构包括第一阶梯和第二阶梯，第一阶梯的宽度大于第二阶梯的宽度；其中第二阶梯位于衬底的外表面上，并且第一阶梯从第二阶梯向外延伸。
在衍射光栅的一些实施方案中，阶梯式通道的内表面与衬底的外表面基本上共面。
在衍射光栅的一些实施方案中，第一阶梯的宽度是第二阶梯的宽度的基本上两倍。
在衍射光栅的一些实施方案中，第一阶梯的侧边缘与第二阶梯的侧边缘基本上对准。
在衍射光栅的一些实施方案中，第一阶梯具有宽度W和高度h1，其中
并且其中，
其中
其中nL是第一折射率，并且nH是第二折射率。
在衍射光栅的一些实施方案中，阶梯式通道的高度h2是第一阶梯的高度h1的不到两倍。
根据一些实施方案的衍射光栅包括：衬底，该衬底具有外表面，该衬底具有第一折射率；和多个光栅元件，每个光栅元件包括阶梯式结构，其中该阶梯式结构具有大于第一折射率的第二折射率。
在衍射光栅的一些实施方案中，每个光栅元件包括插入到衬底中的阶梯式通道。
在衍射光栅的一些实施方案中，阶梯式通道是两阶梯式通道，该两阶梯式通道具有沿着衬底的外表面的第一阶梯和从第一阶梯向内延伸的第二阶梯，第一阶梯的宽度大于第二阶梯的宽度。
在衍射光栅的一些实施方案中，阶梯式通道的外表面与衬底的外表面基本上共面。
在衍射光栅的一些实施方案中，阶梯式结构包括第一阶梯和第二阶梯，第一阶梯的宽度大于第二阶梯的宽度；其中第二阶梯位于衬底的外表面上，并且第一阶梯从第一阶梯向外延伸。
根据一些实施方案的制造衍射光栅的方法包括：蚀刻衬底的外表面以在衬底中形成多个阶梯式通道，该衬底具有第一折射率；以及用具有大于第一折射率的第二折射率的材料填充阶梯式通道中的每个阶梯式通道，以生成多个阶梯式通道插入件。
尽管上文以特定组合描述了特征和元件，但是本领域的普通技术人员将理解，每个特征或元件可单独使用或以与其他特征和元件的任何组合来使用。
Claims (15)
1.一种衍射光栅，所述衍射光栅包括：
衬底，所述衬底具有外表面，所述衬底具有第一折射率；
多个光栅元件，每个光栅元件包括插入所述衬底中的阶梯式通道，所述阶梯式通道具有大于所述第一折射率的第二折射率。
2.根据权利要求1所述的衍射光栅，其中所述阶梯式通道是两阶梯式通道，所述两阶梯式通道具有沿着所述衬底的所述外表面的第一阶梯和从所述第一阶梯向内延伸的第二阶梯，所述第一阶梯的宽度大于所述第二阶梯的宽度。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的衍射光栅，其中所述阶梯式通道的外表面与所述衬底的所述外表面基本上共面。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的衍射光栅，其中所述第一阶梯的所述宽度是所述第二阶梯的所述宽度的基本上两倍。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的衍射光栅，其中所述第一阶梯的侧边缘与所述第二阶梯的侧边缘基本上对准。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的衍射光栅，其中所述第一阶梯具有宽度W和高度h1，其中
并且其中，
其中
其中nL是所述第一折射率，并且nH是所述第二折射率。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的衍射光栅，其中所述阶梯式通道的高度h2是所述第一阶梯的所述高度h1的不到两倍。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的衍射光栅，其中所述衬底是波导显示器中的波导。
9.一种制作衍射光栅的方法，所述方法包括：
在具有第一折射率的衬底的外表面中形成多个阶梯式通道；以及
用具有大于所述第一折射率的第二折射率的材料填充所述阶梯式通道中的每个阶梯式通道。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述阶梯式通道中的每个阶梯式通道是两阶梯式通道，所述两阶梯式通道具有沿着所述衬底的所述外表面的第一阶梯和从所述第一阶梯向内延伸的第二阶梯，所述第一阶梯的宽度大于所述第二阶梯的宽度。
11.根据权利要求9至10中任一项所述的方法，其中所述第一阶梯的所述宽度是所述第二阶梯的所述宽度的基本上两倍。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中所述第一阶梯的侧边缘与所述第二阶梯的侧边缘基本上对准。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中所述第一阶梯具有宽度W和高度h1，其中
并且其中，
其中
其中nL是所述第一折射率，并且nH是所述第二折射率。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中所述阶梯式通道的所述高度h2是所述第一阶梯的所述高度h1的不到两倍。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其中所述衬底是波导显示器中的波导。
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