JP7199224B2 - 中空ナノジェットレンズによる近傍界フォーカシング - Google Patents
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Description
・ 立方体のサイズ及び形状に課される厳しい要件、
・ 所望の屈折率を有する材料の欠如(光領域では、ホスト媒体として使用され得る一般的な光学ガラス及びプラスチックの屈折率がn≒1.3から最大で2.0まで変化し、一方で、非特許文献3に従って、立方体レンズの屈折率の所望の値は、標準の光学材料についての範囲の外にあるn2~2.25であるべきである(標準のガラスについてのn1≒1.5により、比n1/n2=1.5が推奨される。)。)、
・ 空間内にそのようなレンズの位置を設定するために提供される解決法がないこと。
・ 金属の特定の材料特性(すなわち、可視光スペクトルにおいていくつかの貴金属にのみ内在する比誘電率の負実数部)、
・ 入射場における法線電界成分、
・ SPPランチャーの使用(例えば、誘電体プリズム又は格子)。
・ 部品の物理寸法、
・ 限られた空間分解能、
・ 誘電物質の限られた選択(限られた屈折率変動範囲)
・ いくつかの製造/集積の困難性、
・ デバイスの動作原理と関係があるそれらの性能特性(例えば、色収差及び/又は高偏光感度応答)における特定の制限。
ガラス、
プラスチック、
ポリマー材料(例えば、PMMA(Poly(methyl methacrylate))又はPDMS(Polydimethylsiloxane))
を含むグループに属する。
ガラス、
プラスチック、
液体、
ポリマー材料
を含むグループに属する。
第1屈折率n1を有し、表面において段差を形成する水平面の少なくとも1つの急な変化を有する誘電物質の少なくとも1つの層と、
前記第1屈折率n1よりも低い第2屈折率n2を有し、前記段差と接触する要素と
を有し、
前記段差は、前記電磁波の伝播方向と比較して傾いている傾斜ビームを生成する。
・ AR及びVRメガネを含むアイウェアエレクトロニクス、
・ 写真/ビデオ/ライトフィールドカメラのための光センサ、
・ 量子コンピュータを含む光通信システム、
・ ラボオンチップ(lab-on-chip)センサを含むバイオ/化学センサ、
・ 顕微鏡、分光、又は計量システム、
・ ミリメーター/サブミリメーター/赤外(IR)波長範囲での適用のための集積レンズアンテナ
を含むいくつかの技術分野で使用され得る。
・ 空洞のベース120に(あるいは、より一般的には、ホスト媒体において形成された段差のより低い位置の表面に)関連した屈折率-段差不連続からの回折、
・ 空洞の側面端121での(あるいは、より一般的には、段差の側面部分での)回折波の屈折、及び
・ 空洞の外での(あるいは、より一般的には、ホスト媒体での)入射面波と屈折波との干渉
の組み合わせによって説明され得る。
・ 入射平面波は、空洞ベースに関連した誘電体-空気境界120で(又は、より一般的には、ホスト媒体の表面における水平面の急な変化によって引き起こされるホスト媒体での屈折率の段差に達する場合に)電流を誘導する。
・ そのような誘導された電流は、ホイヘンス(Huygens)2次ソース50乃至53と見なされる。
・ 回折理論に従って、ホイヘンスソースによって放射された球面波54は、‘影領域’に向かう、すなわち、空洞の側面境界121に向かういくらかの電力漏れを引き起こす。
・ 側面(垂直)境界を横断するときに、ホイヘンスソースによって放射された波は、スネル-デカルトの法則に従って特定の角度での屈折波の傾きを引き起こす屈折を経験する。
・ 図7(b)で、我々は、空洞の外で波面が空洞ベースラインに沿った異なるホイヘンスソース位置について同時に起こって、局所的な場増強を生じさせることに気付くことができる。そのような面の平面形状は、空洞の外から伝播する指向性ビームの生成を証明する。
・ 最後に、空洞の外で、屈折波は、ナノジェットビーム55を生じさせるように、下から入射する平面波と建設的に干渉している56、57。
(i)ホスト媒体及び空洞物質の屈折率の間の比、及び
(ii)角柱空洞の底角
の関数である。簡単のために、前述において、我々は、90°に等しい底角を有し、よって、垂直端を有して円筒形状を有している角柱空洞のみを考える。
θ1≒θTIR (1)
ここで、θTIR=sin-1(n2/n1)は臨界角である。
θB≒(90°-θTIR)/2 (2)
P=Em 2/2η≒1.3nEm 2 [mw/m2] (4)
として定義される。ここで、Emは電界の振幅であり、ηは媒体における波動インピーダンスであり、nは屈折率である。屈折率がn=1.49であるホスト媒体の場合に、時間平均ポインティングベクトルによって特徴付けられる電力密度のリファレンス値は、~1.92mW/m2である。
・ 例えば、ガラス又はプラスチックから作られ得る、サブストレートを形成する第1層110と、
・ サブストレート110に当接する誘電物質の第2層112と、
・誘電体層112の上でスーパーストレートを形成する第3層113と
を有する多層構造を示す。スーパーストレートは、例えば、ガラス又はプラスチックにおいて作られ得る。図11の実施形態では、同じ物質がサブストレート110及びスーパーストレート113のために使用される。なお、これは強制的ではない。
・ 遠くに置かれたソースから伝来する周囲光、
・ ナノジェットコンポーネント132に直接取り付けられた光源(例えば、フォトダイオード又は光ファイバ)によって生成された光、
・ 他のフォーカシング素子132によって生成された光ビーム
であってよい。
・ 検出器(例えば、カメラにおけるフォトダイオード)、
・ ターゲット(例えば、量子ドット、水又は血液溶液内のナノ粒子又は微粒子{分光法、顕微鏡法、又はラボオンチップデバイス})、
・ 他のフォーカシング、ビームフォーミング又は導光要素(例えば、レンズ、格子、光ファイバ、AR/VRメガネ、光通信、など)
であってよい。
・ 平面又はフレキシブルであってよく、優れた機械的剛性を提供する簡単なトポロジ;
・ それらは、標準的な材料に基づき、よって、光学ガラス又はプラスチックのような、標準的な誘電物質を用いて製造され得る。(先行技術のSDCとは違って)高屈折率材料は必要とされない;
・ 簡単な作成:それらは、レーザ及び電子ビームリソグラフィ、ナノインプリンティング、レプリカモールディング、などのような、確立された微細加工法を用いて製造され得る;
・ 簡単な集積化:それらは、スタンドアローンの部品(例えば、近傍界プローブ)として使用されるか、又は他の光学部品(例えば、平凸レンズ)に取り付けられるか、又は集積フォーカシングシステム(例えば、カメラセンサ)の構成ブロックとして使用されるかのいずれかであることができる;
・ λ/2n1(すなわち、ホスト媒体における波長の2分の1)のサブ波長分解能及び2から少なくとも11倍のFIEを有する優れた性能特性。
上記の実施形態に加えて、以下の付記を開示する。
(付記1)
デバイス(132)に入射する伝播電磁波から近距離領域内の場強度分布を形成する前記デバイスであって、
第1屈折率n 1 を有し、表面において段差を形成する水平面の少なくとも1つの急な変化を有する誘電物質の少なくとも1つの層(112)と、
前記第1屈折率n 1 よりも低い第2屈折率n 2 を有し、前記段差と接触する要素と
を有し、
前記段差は、前記電磁波の伝播方向と比較して傾いている傾斜ビームを生成する、
デバイス。
(付記2)
前記傾斜ビームは、λ 1 が前記誘電物質における前記電磁波の波長であるとして、λ 1 /2から数波長まで変化することができる波長を有する、
付記1に記載のデバイス。
(付記3)
前記傾斜ビームの伝播方向に沿って位置する受光要素(131)を有する、
付記1又は2に記載のデバイス。
(付記4)
前記受光要素(131)は、前記傾斜ビームのホットスポットに位置する、
付記3に記載のデバイス。
(付記5)
前記受光要素(131)は、λ 1 が前記誘電物質における前記電磁波の波長であるとして、dがλ 1 から10λ 1 の間である場合に、前記段差からの距離dに位置する、
付記3又は4に記載のデバイス。
(付記6)
前記傾斜ビームは、前記第1屈折率n 1 及び/又は前記第2屈折率n 2 の関数として定義される放射角、及び/又は前記段差と比較される前記入射電磁波の入射角、及び/又は段差底角に関連する、
付記1乃至5のうちいずれか一つに記載のデバイス。
(付記7)
前記放射角は、おおよそ(90°-asin(n 2 /n 1 ))/2に等しい値である、
付記6に記載のデバイス。
(付記8)
前記放射角は、n 1 =1.49且つn 2 =1のときに約23°であり、n 1 =2且つn 2 =1のときに約30°である、
付記7に記載のデバイス。
(付記9)
単色性電磁波である入射電磁波のためのビームを形成するよう適応され、
前記単色性電磁波の夫々は、約480nm又は525nm又は650nmである値に等しい波長を有する、
付記1乃至8のうちいずれか一つに記載のデバイス。
(付記10)
前記段差は、前記誘電物質の少なくとも1つの層において作られた少なくとも1つの空洞(111)の縁部によって形成される、
付記1乃至9のうちいずれか一つに記載のデバイス。
(付記11)
前記少なくとも1つの空洞(111)は、前記誘電物質の少なくとも1つの層にあるスルーホールである、
付記10に記載のデバイス。
(付記12)
前記少なくとも1つの空洞は、少なくとも2つの空洞の少なくとも1つの組に属する、
付記10又は11に記載のデバイス。
(付記13)
前記少なくとも1つの空洞は、円筒形又は円錐形であることを目標とされる、
付記10乃至12のうちいずれか一つに記載のデバイス。
(付記14)
前記段差の高さHは、λ 1 が前記誘電物質における前記電磁波の波長であるとして、H>λ 1 /2であるようにされることを目標とされる、
付記1乃至13のうちいずれか一つに記載のデバイス。
(付記15)
前記誘電物質の層に当接するサブストレート(110)を形成する少なくとも1つの層を更に有する、
付記1乃至14のうちいずれか一つに記載のデバイス。
(付記16)
スーパーストレート(113)を形成する少なくとも1つの層を更に有し、
前記誘電物質の少なくとも1つの層は、前記サブストレートと前記スーパーストレートとの間にある、
付記15に記載のデバイス。
(付記17)
前記サブストレート及び前記スーパーストレートは、前記誘電物質の少なくとも1つの層と同じ誘電物質から作られる、
付記16に記載のデバイス。
(付記18)
前記誘電物質は、
ガラス、
プラスチック、
ポリマー材料
を含むグループに属する、
付記1乃至17のうちいずれか一つに記載のデバイス。
(付記19)
前記スーパーストレートの材料は、
ガラス、
プラスチック、
液体、
ポリマー材料
を含むグループに属する、
付記16又は17に記載のデバイス。
Claims (19)
- デバイスに入射する伝播電磁波から近距離領域内の場強度分布を形成する前記デバイスであって、
第1屈折率n1を有する単一層の誘電物質であって、該単一層の誘電物質の表面は、該単一層の誘電物質の内部のみに延在する段差を形成する水平面に少なくとも1つの急な変化を含むものである、単一層の誘電物質と、
前記第1屈折率n1よりも低い第2屈折率n2を有し、前記段差と接触する要素と
を有し、
前記段差は、前記伝播電磁波の伝播方向と比較して傾いている傾斜ビームを生成する、
デバイス。 - 前記傾斜ビームは、λ1が前記単一層の誘電物質における前記伝播電磁波の波長であるとして、λ1/2から変化することができる波長を有する、
請求項1に記載のデバイス。 - 前記傾斜ビームの伝播方向に沿って位置する受光要素を更に有する、
請求項1に記載のデバイス。 - 前記受光要素は、前記傾斜ビームのホットスポットに位置する、
請求項3に記載のデバイス。 - 前記受光要素は、λ1が前記単一層の誘電物質における前記伝播電磁波の波長であるとして、dがλ1から10λ1の間である場合に、前記段差からの距離dに位置する、
請求項3に記載のデバイス。 - 前記傾斜ビームは、前記第1屈折率n1、前記第2屈折率n2、前記伝播電磁波の入射角、及び段差底角の関数である放射角に関連する、
請求項1に記載のデバイス。 - 前記放射角は、(90°-asin(n2/n1))/2である、
請求項6に記載のデバイス。 - 前記放射角は、n1=1.49且つn2=1のときに23°であり、n1=2且つn2=1のときに30°である、
請求項7に記載のデバイス。 - 前記デバイスは、単色性電磁波である入射電磁波のためのビームを形成するよう構成され、
前記単色性電磁波の夫々は、480nm又は525nm又は650nmである波長を有する、
請求項1に記載のデバイス。 - 前記段差は、前記単一層の誘電物質の少なくとも1つの層において作られた少なくとも1つの空洞の縁部によって形成される、
請求項1に記載のデバイス。 - 前記少なくとも1つの空洞は、前記単一層の誘電物質の少なくとも1つの層にあるスルーホールである、
請求項10に記載のデバイス。 - 前記少なくとも1つの空洞は、少なくとも2つの空洞の少なくとも1つの組に属する、
請求項10に記載のデバイス。 - 前記少なくとも1つの空洞は、円筒形又は円錐形であることを目標とされる、
請求項10に記載のデバイス。 - 前記段差の高さHは、λ1が前記単一層の誘電物質における前記伝播電磁波の波長であるとして、H>λ1/2であるようにされることを目標とされる、
請求項1に記載のデバイス。 - 前記単一層の誘電物質の層に当接するサブストレートを形成する少なくとも1つの層を更に有する、
請求項1に記載のデバイス。 - スーパーストレートを形成する少なくとも1つの層を更に有し、
前記単一層の誘電物質の少なくとも1つの層は、前記サブストレートと前記スーパーストレートとの間にある、
請求項15に記載のデバイス。 - 前記サブストレート及び前記スーパーストレートは、前記単一層の誘電物質と同じ誘電物質から作られる、
請求項16に記載のデバイス。 - 前記単一層の誘電物質は、
ガラス、
プラスチック、
ポリマー材料
からなるグループから選択される、
請求項1乃至17のうちいずれか一項に記載のデバイス。 - 前記スーパーストレートの材料は、
ガラス、
プラスチック、
液体、
ポリマー材料
からなるグループから選択される、
請求項16に記載のデバイス。
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