KR102391954B1 - 입사 전자기파들로부터 근거리 구역에서 필드 강도 패턴을 형성하기 위한 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 개시는 디바이스에 입사되는 전자기파들로부터, 근거리 구역에서 필드 강도 패턴을 형성하기 위한 디바이스에 관한 것이다. 특히, 이러한 디바이스는 디바이스에 입사되는 전자기파를 근거리 구역에서 복사 빔에 가두는 것을 허용한다. 그것은 적어도 하나의 유전체 재료 층을 포함하고, 그 표면은 단차를 형성하는 레벨의 적어도 하나의 급격한 변화를 갖는다. 상기 단차에 대한 상기 표면의 아래쪽 및 측면 부분은 상기 유전체 재료의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가진 물질과 접촉한다. 이러한 단차 부근에서 디바이스에 충돌하는 입사 전자기파에 대해, 그것이 마주치는 대응 굴절률의 단차는 복잡한 전자기 현상을 생성하고, 이는 근거리 구역에서 저-분산형 응축 빔들 및 특정 필드 패턴들을 생성하는 것을 허용한다.

Description

입사 전자기파들로부터 근거리 구역에서 필드 강도 패턴을 형성하기 위한 디바이스

본 개시는 일반적으로 전자기파들로부터 필드 강도 패턴을 형성하기 위한 기법들에 관한 것으로, 전자기파들 중에는 가시광이 있다. 보다 상세하게는, 그러나 배타적이지는 않게, 본 개시는 근거리 구역에서 근거리-필드 포커싱(near-field focusing) 및 빔 형성(beam forming)에 관한 것이다. 근거리 구역(near zone)이란, 본원의 이 문헌의 전체에 걸쳐, 본 개시에 따른 디바이스 주위의 영역을 의미하고, 그 치수는 호스트 매체에서 파장의 일부로부터 파장의 약 10배까지 확장될 수 있다.

전자기파의 포커싱 및 시준(collimation)(즉, 빔 형성(물론 디-포커싱(de-focusing)일 수도 있음))은 전기 필드의 크기를 국소적으로 증가시키고, 이러한 방식으로, 센서(예를 들어, 전자기파의 형태로 공간에서 전파되는 에너지를 출력 전압 또는 전류로 변환하는 것에 의존하는 동작 원리를 갖는 전기-광학 센서)의 효율을 개선하는 확립된 방법이다. 후자의 센서(예를 들어, CMOS 촬상 센서 또는 포토다이오드)는 스마트폰 및 태블릿으로부터 전문적인 라이트 필드 카메라에 이르기까지 거의 모든 휴대용 전자 디바이스의 핵심부에 있다. 국소적인 필드 향상의 동일한 현상은 상이한 파장 범위의 다양한 다른 응용들에서 사용된다.

광학 분야에서, 오늘날의 기술 레벨은 가시광의 파장에 가깝거나 그보다 훨씬 더 작은 나노-스케일 치수를 가진 구조 요소들을 갖는 고집적(highly-integrated) 컴포넌트들(예를 들어, 칩 및 광학 센서)의 제조를 가능하게 한다. 동일한 레벨의 정확도로 광을 조작할 수 있는 가능성은 최신 기술에 비해 큰 발전일 것이다.

그러나, 유전체 및 금속-유전체 렌즈와 같은 종래의 포커싱 디바이스의 공간 해상도는 Abbe 회절 한계에 의해 제한되고, 일반적으로 호스트 매체에서 한 파장을 초과하지 않는다. 동시에, A. Heifetez 등에 의해 "Photonic nanojets", J. Comput. Theo. Nanosci., vol. 6, pp. 1979-1992, 2009에서 설명된 바와 같이, 서브-파장(sub-wavelength) 해상도를 요구하거나, 이로부터 이익을 얻을 수 있는 많은 응용이 있다. 이것은 서브-파장 해상도를 가능하게 하는 포커싱 컴포넌트들에 대한 증가하는 관심을 설명한다.

오늘날 모바일 및 웨어러블 기술과 연관된 또 다른 중요한 과제는 연관된 디바이스의 추가 소형화에 대한 필요성에 있다. 종래의 렌즈들의 동작 원리는 특정 한계(~파장의 10배)를 넘어서는 렌즈들의 치수 감소를 막고, 특정 한계는 해당 분야에서 미래의 진보에 대한 장애물이 된다. 특히, 이러한 제한은 광 검출기의 패키징 밀도와 관련될 수 있고, 따라서 이미지 해상도의 추가 개선을 불리하게 만들 수 있다.

최종적으로, 종래의 렌즈들의 동작 원리는 렌즈와 호스트 매체 재료 사이의 특정 굴절률 비율을 요구한다. 굴절률 비율이 높을수록, 달성할 수 있는 렌즈 포커싱 배율(focusing power)이 높아진다. 이 때문에, 대부분의 경우 렌즈들은 에어 갭으로 분리되고, 이는 추가적인 공간을 필요로 하고 공간 및 정렬에서 렌즈 고정에 특정 어려움을 야기한다. 충분히 집적된 시스템들은 이들 문제를 피할 수 있다. 그러나, 기술적 어려움과 광학적으로 투명한 재료에 대한 굴절률 변화의 제한된 범위(광학 범위의 일반적인 굴절률 값은 n < 2이다) 양쪽 모두로 인해 상이한 굴절률들을 갖는 여러 유전체 재료의 조합은 다소 어렵고 항상 실현 가능한 것은 아니다.

따라서 이들 단점을 극복할, 새로운 포커싱 컴포넌트들이 필요하다.

그러나, 현재, 가장 보편적인 포커싱 요소는, 도 1a에 도시된 바와 같이, 오래 전에 도입된 볼록 유전체 렌즈로 남아 있다. 렌즈가 충분한 애퍼처(aperture) 크기를 가지고 그의 프로파일 형상이 렌즈 재료 및 호스트 매체의 굴절률들에 대해 적절하게 정의된다면, 이러한 렌즈는 렌즈 표면으로부터 특정 거리 FL에 위치한 타이트한 초점 스폿(focal spot) FS에 효과적으로 광을 포커싱할 수 있다. 굴절 유전체 렌즈의 동작 원리는 스넬의 법칙(Snell's law)에 기초하고, 스넬의 법칙은 2개의 매체에서 상이한 위상 속도로 인한 렌즈의 공기-유전체 경계에서 광선의 기울기(굴절)를 예측한다. 원하는 포커싱 기능을 가능하게 하기 위해, 렌즈는 호스트 매체에서 적어도 파장의 정수배의 애퍼처 크기를 가져야 하고, 일반적인 물리적 크기는 마이크로렌즈의 경우 수 마이크론부터 카메라 대물 렌즈의 경우 수 센티미터까지 달라진다. 이들의 해상도는 Abbe 회절 한계에 의해 제한되며 일반적으로 호스트 매체의 한 파장보다 크다.

또한, 도 1b에 예시된 바와 같이, 다수의 동심 링에 의해 회절된 파들의 간섭에 의존하는 동작 원리를 갖는, 프레넬-타입 회절 렌즈들이 존재한다. 도 1a의 굴절 렌즈와 비교하면, 이러한 렌즈들은 더 작은 두께를 가지지만, 이들은 일반적으로 강한 색수차를 겪는다. 이들의 해상도는 굴절 렌즈처럼 회절 한계에 의해 제한된다.

이미 위에 언급된 바와 같이, 원거리-필드 포커싱 시스템(예를 들어, 굴절 및 회절 렌즈)의 공간 해상도는 ~λ/2n　sinα로 설정된 Abbe 회절 한계에 의해 제한되는데, 여기서 λ는 진공 파장이고, n은 호스트 매체 굴절률이고, α는 렌즈의 1/2 애퍼처 각도이다(원거리-필드 포커싱 시스템이란, 파장의 정수배보다 큰 거리에서, 즉 원거리 구역에서의 초점 스폿 FS를 생성하는 시스템을 의미한다). 따라서, 렌즈 애퍼처 크기를 증가시키거나 포커싱 거리 FL을 감소시킴으로써 더 높은 해상도가 달성될 수 있다. 후자는 근거리 구역에서 초점 스폿 FS를 생성하는, 근거리-필드 포커싱 시스템에 대한 증가하는 관심을 설명한다. 이러한 관심은 또한 예를 들어 현미경, 분광학 또는 계측학에서와 같은, 가능한 가장 높은 해상도로 근거리-필드 광 처리를 요구하는, 상이한 영역들에 걸쳐서 응용의 수가 증가하는 것에 의해 강력하게 뒷받침된다.

현재, 서브파장 애퍼처 프로브(L. Novotny 등, "Near-field optical microscopy and spectroscopy with pointed probes", Annu. Rev. Phys. Chem. 57, pp. 303-331, 2006), 평면 서브파장-패턴 구조(US 특허 문헌 8,003,965) 및 포토닉 나노젯 마이크로스피어 유전체 렌즈에 기초한, 여러 근거리-필드 포커싱 기법들이 존재한다. 예를 들어 특허 문헌 US 7,394,535에 설명되고 도 1c에 예시된 바와 같은, 후자의 솔루션(즉, 나노젯 마이크로스피어)은, 마이크로스피어들이 서브파장 해상도 및 높은 레벨의 필드 강도 향상(field intensity enhancement, FIE)을 동시에 제공할 수 있기 때문에, 가장 효과적인 것으로 언급된다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 이들은 나노젯 빔 NB를 생성하는 것을 허용한다. 이 포토닉 나노젯은 유전체 마이크로스피어의 음영측 표면에서 유도되는 광 강도 패턴이다. 특허 문헌 US 2013/0308127은 또한 나노젯 디바이스를 기술하는데, 나노젯 디바이스는 마이크로스피어를 사용하여 충돌하는 복사를 포토닉 나노젯에 가두고 이로써 샘플에 부딪치는 복사의 강도를 증가시킴으로써 샘플로부터의 라만 방출을 개선하는 것을 허용한다. 포토닉 나노젯에서 복사의 빔의 강도를 증가시키기 위해 복사의 분산 및 파장과 함께 마이크로스피어들의 직경 및 굴절률을 구성함으로써 항상량이 개선될 수 있다.

이들의 매력적인 성능 특성에도 불구하고, 마이크로스피어들의 사용은 이들의 (i) 정확한 위치지정, (ii) 다른 광학 컴포넌트들과의 통합, 및 (iii) 확립된 평면 제작 기법들과의 비호환성에 관한 특정 어려움과 연관된다. 이들 어려움은 실현 가능성에 영향을 미치고 나노젯 기반 디바이스의 제작 및 조립 비용을 증가시킨다. 잠재적으로, 조립 문제는 나노스케일 패턴 구조 또는 중공 튜빙을 사용하여 해결할 수 있지만, 이들 솔루션은 일부 응용과 호환되지 않을 수 있다.

최근에 고체 유전체 입방체(solid dielectric cuboids, SDC)에 기초한 나노젯 마이크로스피어 렌즈에 대한 대안적인 솔루션이 제안되었다. V. Pacheco-Pena 등에 의해, "Terajets produced by dielectric cuboids", Applied Phys. Lett. Vol. 105, 084102, 2014에서 증명되고 도 1d에 예시된 바와 같이, 평면 파에 의해 조명될 때, 입방체들의 크기 및 형상이 입방체 재료의 굴절률 및 입사 파장에 대해 적절하게 조정된다면, SDC 렌즈는 또한 응축된 빔 TB를 생성할 수 있고, 응축된 빔은 서브파장 치수를 갖는 마이크로스피어에 대해 관찰된 나노젯 빔과 유사하다. 최상의 공간 해상도(~λ/2, 여기서 λ는 호스트 매체의 파장임)와 필드 강도 향상(~파장의 10배)은 호스트 매체에서 약 1 파장의 치수와 굴절률 비율 n₂/n₁ ~ 1.5를 갖는 SDC에 대해 달성되는데, 여기서, n₁ 및 n₂는 각각 호스트 매체 및 입방체 재료의 굴절률들이다.

SDC 렌즈의 직사각형 형상은 일부 평면 제작 방법들(예를 들어, 마이크로머시닝 또는 리소그래피)에 대해 유리할 수 있지만, 광학 범위에서 동작하는 SDC 렌즈의 제작은 다음의 제약 때문에 어렵거나 심지어 불가능할 수 있다:

- 입방체 크기 및 형상에 부과된 엄격한 요구사항,

- 원하는 굴절률들을 갖는 재료들의 부재(광학 범위에서, 호스트 매체로서 사용될 수 있는, 일반적인 광학 유리 및 플라스틱의 굴절률은 n₁

1.3부터 2.0까지 달라지는 반면, V. Pacheco-Pena 등에 따르면, 입방체 렌즈 굴절률의 원하는 값은 표준 광학 재료에 대한 범위를 벗어난 n₂ ~ 2.25이어야 한다(표준 유리의 경우 n₁

1.5로 n₁/n₂=1.5의 제안된 비율)).

- 공간에서 이러한 렌즈들의 위치를 설정하려면 솔루션이 제공되지 않음.

마지막으로, 광학 범위에서 이용 가능한 근거리-필드 향상을 위한 또 하나의 대안적인 솔루션을 언급할 가치가 있다. 이 솔루션은 표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polaritons, SPP)으로 알려진 현상에 기초한다. SPP 현상은 매우 높은 필드 강도를 갖는 서브파장 핫 스폿들을 생성하는 것을 가능하게 한다. 특히, SPP 기반 컴포넌트들은 Y. Gu 등에 의해 "Plasmonic structures color generation via subwavelength plasmonic nanostructures", J. Nanoscale, vol. 7, pp. 6409-6419, 2015에 설명된 바와 같이, 컬러 필터링 및 디스플레이 기술들에서 응용된다. 그러나, SPP 필드들은 금속과 타이트하게 결합되어 표면에서 멀어지면서 기하 급수적으로 감쇠하고, 이는 '장거리 통신' 또는 원거리-필드 빔 형성을 요구하는 광학 시스템에 SPP 디바이스의 사용을 막는다. 더욱이, SPP는 다음을 포함하는 특정 조건 하에서 여기될 수 있다:

- 금속의 특정 재료 속성들(즉, 가시광 스펙트럼에서 일부 귀금속에만 고유한 상대 유전율의 음의 실수 부분),

- 입사 필드에서 법선(normal) E-필드 컴포넌트,

- SPP 발사체(예를 들어, 유전체 프리즘 또는 격자)의 사용.

이들 제약은 항상 용인되는 것은 아니다.

따라서 모든 종래 기술의 포커싱 방법 및 컴포넌트는 특정 한계를 겪고 있으며 현재 및 미래의 마이크로 및 나노기술의 요구를 완전히 만족시키지 못한다. 모든(또는 적어도 일부) 이용 가능한 포커싱 디바이스들의 본질적인 일부 한계는 다음과 연관되어 있다:

- 컴포넌트들의 물리적 치수,

- 제한된 공간 해상도,

- 유전체 재료의 제한된 선택(제한된 굴절률 변화 범위),

- 일부 제작/통합의 어려움,

- 그의 동작 원리에 관련된 디바이스들의 성능 특성(예를 들어, 색수차 및/또는 편광 감응 응답)의 특정 한계.

따라서, 이들 단점 중 적어도 일부를 나타내지 않고, 전자기파들로부터 근거리 구역에서 필드 강도 패턴을 형성하고, 특히 근거리 구역에서 응축된 저-분산형 복사 빔들을 생성하기 위한 새로운 기법을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

일 양태에서, 디바이스에 입사되는 전자기파들로부터, 근거리 구역에서 필드 강도 분포를 형성하기 위한 디바이스가 개시된다. 이러한 디바이스는 적어도 하나의 유전체 재료 층; 상기 적어도 하나의 유전체 재료 층의 표면은 단차(step)를 형성하는 레벨의 적어도 하나의 급격한 변화를 갖고, 상기 단차에 대한 상기 표면의 적어도 아래쪽 및 측면 부분은 상기 유전체 재료보다 낮은 굴절률을 가진 물질과 접촉한다.

따라서, 본 개시는 순전히 유전체 미세 구조의 도움으로, 근거리 구역에서 원하는 필드 강도 분포를 형성하는 것을 허용하는, 새로운 세대의 컴포넌트들을 제공한다. 이러한 디바이스들은 전자기파를 포커싱하는 것과, 디바이스에 입사되는 평면 전자기파(특히, 그러나 배타적이지는 않게, 그 표면이 평평할 수 있는, 유전체 층의 하부 부분으로부터의)로부터 근거리 구역에서 응축된 저-분산형 광 빔(소위 나노젯)을 생성하는 것에 특히 이용될 수 있다. 반전 모드에서 이용될 때, 이들은 또한 전자기 복사의 소스에 의해 또는 그 표면이 레벨의 급격한 변화를 갖는 유전체 층의 상부 부분에 가까이 위치하는 다른 빔-형성 요소에 의해 생성된 전자기파의 비평면 파면을 정정하기 위해 이용될 수 있다. 특히, 이러한 정정은 (빔 및 구형 파에 대해 일반적인) 비평면 파면을 국소적으로 평면인 파면 또는 빔, 또는 다른 형상의 파면으로 변환하는 것을 포함할 수 있다.

다시 말해서, 광학 파장에서 이용될 때, 이러한 디바이스는 근거리 구역에서 적어도 하나의 응축된 광 빔(즉, 나노젯 빔)을 생성할 수 있고, 따라서 디바이스의 근거리 구역에서 정의되는, 촬상 평면에 적어도 하나의 고강도 초점 스폿을 생성한다. 이러한 디바이스의 이용은 물론 이러한 파장들에 제한되지 않는다.

본 개시의 다음 부분에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 이러한 스폿들은 일반적으로 원형 또는 타원형이고 다소 신장된 형상들을 갖는다. 대응하는 핫 스폿에 최대 강도의 1/2과 동등한 필드 강도를 갖는 영역을 둘러싸는 윤곽선(contour line)의 형상에 의해 스폿들의 형상이 여기에서 정의된다. 단일 스폿의 형성에 하나보다 많은 단차의 오목 세그먼트가 기여하는 경우, 스폿들은 더 복잡한 형상을 가질 수도 있다. 이들의 가장 작은 크기는, 1/2 전력에서 정의될 때, 직경이 파장의 대략 1/2이고, 이는 Abbe 회절 한계에 가깝다.

여러 스폿들의 패턴이 형성될 때, 스폿들 사이의 간격은 적어도 한 파장이어야 하고, 그렇지 않으면 2개의 스폿이 병합되어 복잡한 형상의 공통 핫 스폿을 형성할 수 있다.

이러한 스폿들과 연관된 필드 강도 향상은 (동일한 호스트 매체에서 전파되는 평면 파와 비교하여) 직선 경계를 갖는 단차의 경우 2배부터, 더 복잡한 형상의 단차들의 경우 10배, 또는 심지어 최대 20배까지 달라진다.

표면의 레벨의 급격한 변화는 입사 전자기파에 대한 굴절률의 단차를 유도하고, 입사 전자기파는 유전체 층의 단차 부근에서 디바이스에 도달한다. 이러한 굴절률의 단차가 복잡한 전자기 현상을 발생시키고, 이는 전술한 개시에서의 도면들과 관련하여 더 상세하게 설명될 것이다. 이러한 복잡한 전자기 현상은, 단차에 대한 에지의 아래쪽 부분에서의 입사 파의 회절을 수반하고, 단차의 측면 부분에서의 회절 파의 굴절과 결합되어, 응축된 빔들을 생성하는 것을 허용하고, 따라서 단차의 피처들에 따라, 유전체 재료와 그의 아래쪽 및 측면 표면들을 커버하는 물질 사이의 굴절률들의 차이에 따라, 근거리 구역에 위치하는 촬상 평면에서 상이한 필드 패턴들을 생성하는 것을 허용한다. 나노젯 빔의 출현은 회절/굴절 파와 입사 평면 파의 간섭으로 인해 발생한다.

단차의 아래쪽 및 측면 표면들과 접촉하는 물질은 단순히 공기, 다른 가스, 진공, 액체 또는 유전체 재료의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 임의의 다른 재료일 수 있다. 또한, 유의해야 할 점은 단차의 측면 부분은 반드시 수직일 필요는 없고, 유전체 층의 표면의 수직에 대해 소정 각도를 나타낼 수도 있다는 점이다. 더욱이, 그것은 반드시 직선 세그먼트가 아닐 수도 있다.

유전체 층의 하부 표면에 대한 제한은 없고, 그것은 평면일 수도 있고 아닐 수도 있다. 유전체 층은 특히 가요성일 수 있다.

따라서, 본 개시의 실시예들에 따른 이러한 디바이스는 근거리 구역에서 저-분산형 빔(들)을 생성하는 것을 허용한다. 이러한 기능은 유전체 층 및 물질/요소의 재료들, 단차의 에지 라인 길이 및 곡률은 물론 그의 베이스 각도에 대한 적절한 굴절률 비율을 적절히 선택함으로써 제어될 수 있고, 이는 다음의 내용을 읽는 동안에 더 명백해질 것이다.

본 개시의 일 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 유전체 재료 층에 만들어진 적어도 하나의 공동(cavity)의 에지에 의해 상기 단차가 형성된다.

따라서, 유전체 재료 층의 단일 단차와 비교하여, 근거리 구역에서 필드 강도 분포를 생성하는, 특히 적어도 하나의 응축된 복사 빔을 생성하는(즉, 발생시키는) 데 공동의 모든 에지들이 기여할 수 있다. 공동 단면의 형상에 따라, 공동들에 의해 생성된 빔들의 조합으로부터 획득된 상이한 필드 패턴들을 생성하는 것이 가능하다.

다른 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 공동은 상기 적어도 하나의 유전체 재료 층의 스루-홀(through-hole)이다. 따라서, 공동(들)의 높이는 유전체 층의 두께에 대응한다. 공동이 스루-홀이 아닌 경우, 그의 높이는 따라서 유전체 층의 두께보다 작다; 그것은 유전체 층의 상부 및 하부 표면들에 대해 임의의 위치에 위치할 수 있다. 공동들은 모두 동일한 것들일 필요는 없다.

다른 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 공동은 적어도 2개의 공동의 적어도 하나의 세트에 속한다.

근거리 구역에서 특정 포커싱된 빔들, 또는 광 센서들과 같은, 일부 응용들에 대해 관심의 대상이 될 수 있는, 빔들의 어레이를 생성하기 위해, 공동들은 공동들의 어레이들, 또는 특이한 패턴을 형성하는 비정규 배열들로 배열될 수 있다. 더 큰 영역에서의 필드 분포에 대한 제어를 제공하기 위해 및/또는 일부 선택된 포인트(들)에서 필드 강도를 증가시키기 위해 2개 이상의 밀접하게 배치된 공동들의 어레이가 이용될 수 있다. 더욱이, 공동들의 어레이들은 평면(모든 공동들의 모든 베이스 면들이 동일한 평면에 놓임)이거나 그렇지 않을 수 있고, 동일한 공동들로 만들어지거나 그렇지 않을 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 공동은 실린더형 또는 원뿔 형상이 되는 것을 목표로 한다.

실린더형 공동이란, 여기서, 그리고 이 문헌의 전체에 걸쳐, 그 형상이 일반적인 실린더를 의미하고, 즉 닫힌 2차원 곡선을 그 곡선의 평면과 교차하는 축을 따라 투영함으로써 생성된 표면인 공동을 의미한다. 다시 말해서, 이러한 실린더는 직원형 실린더에 제한되지 않고, 특히, 그러나 배타적이지는 않게, 예를 들어 입방체 또는 프리즘과 같은, 임의의 타입의 실린더을 커버한다. 공동은 또한 원뿔의 형태를 가질 수 있다. 그의 주축은 공동의 하부 표면에 직각이거나 기울어질 수 있다. 제작 공차 때문에, 공동들은 또한 불완전한 형상들을 가질 수도 있고, 예를 들어, 실린더로서 성형되는 것을 목표로 한 공동들은 제조 프로세스 동안 S-형상의 단면들을 갖는 원뿔 형상 공동들이 될 수 있음을 이해해야 한다.

보다 일반적으로, 이러한 공동들은 원하는 근거리-필드 패턴, 즉 xy-평면에서 원하는 필드 강도 분포(일반적으로는 입사 파 전파 방향에 직각)를 생성하기 위해 적응(최적화)될 수 있는 임의의 단면을 갖는 실린더들 또는 원뿔들로서 형성된다. 이 패턴은 동일한(또는 상이한) 필드 강도 레벨을 갖는 하나 또는 다수의 핫 스폿을 가질 수 있다.

비대칭 공동들도 가능하다. 예를 들어, xy-평면에서의 단면이 삼각형인 공동은 3개의 스폿을 생성할 것이다. 이들 중 하나는 대응하는 면이 오목하면 향상될 수 있는데, 이는 도면들과 관련하여 더 상세하게 설명될 것이다.

일 실시예에 따르면, 상기 단차의, 또는 상기 공동의 높이 H는

가 되는 것을 목표로 하는데, 여기서 λ₁은 상기 유전체 재료에서의 상기 전자기파들의 파장이다. 실제로, 나노젯 현상은 호스트 매체(유전체 재료)에서 약 파장의 1/2부터 파장의 정수배까지 달라지는 공동 높이에 대해 잘 알려져 있다. 나노젯 빔을 발생시킬, 국소적으로 평면인 파면을 형성하기 위해서는 최소한의 높이가 필요하다.

더욱이, 나노젯 빔은 공동의 하부에서 나타난다. 대부분의 응용에서와 같이, 공동의 높이를 넘어 연장되는 빔을 갖는 것이 바람직하고, 공동의 높이는, 일반적으로 약 2개 내지 5개(일부 경우들에서 10개 또는 훨씬 더 많은) 파장인, 생성된 나노젯 빔의 길이보다 작아야 한다.

일 실시예에 따르면, 이러한 디바이스는 또한 상기 유전체 재료 층과 접하는 기판을 형성하는 적어도 하나의 층을 포함한다.

이러한 기판은 디바이스의 기계적 강성에 기여할 수 있다.

추가 실시예에 따르면, 이러한 디바이스는 또한 수퍼스트레이트를 형성하는 적어도 하나의 층을 포함하고, 상기 적어도 하나의 유전체 재료 층은 상기 기판과 상기 수퍼스트레이트 사이에 위치한다.

따라서, 디바이스는 2개의 유리 또는 플라스틱 플레이트(즉, 기판 및 수퍼스트레이트)를 포함하는 평면의 광학적으로-투명한 요소의 형태를 취할 수 있고, 그 사이에 보이드(void) 또는 충진된(filled) 중공 마이크로공동들을 갖는 유전체 재료가 임베드된다. 수퍼스트레이트는 물론 비평면이고, 예를 들어 기판의 형상을 따를 수 있다. 실제로, 베이스에 수직으로 입사되는 평면 파에 의해 조명될 때 디바이스에 의해 생성된 필드 강도 분포의 패턴은 공동 베이스 각도(또는 단차 각도), 공동 단면 형상, 및 유전체 재료와 공동을 채우는(또는 단차에 대해 표면의 아래쪽 부분을 커버하는) 물질 사이의 굴절률 비율에만 의존한다.

유의해야 할 점은, 빔들의 복사는 평면 파의 경사 입사에 대해 변화할 것이고, 빔의 형상은 굴절률 비율, 크기, 베이스 각도 및 공동 에지 라인의 곡률에 따라, 약 +/- 30°의 입사 각도들에 대해 잘 보존될 것이라는 점이다.

일 실시예에 따르면, 기판 및 수퍼스트레이트는 상기 적어도 하나의 유전체 재료 층과 동일한 유전체 재료로 만들어진다.

일 실시예에 따르면, 상기 유전체 재료는 다음을 포함하는 그룹에 속한다:

- 유리;

- 플라스틱;

- PMMA(폴리(메틸 메타크릴레이트)) 또는 PDMS(폴리디메틸실록산)와 같은 폴리머 재료.

유의해야 할 점은, 공기는 본 개시에 따른 디바이스에 대한 후보 유전체 재료로 간주되지 않는다는 점이다.

따라서, 이러한 디바이스는 찾기 쉽고 저렴한 표준 유전체 재료를 이용하여 제작될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 수퍼스트레이트의 재료는 다음을 포함하는 그룹에 속한다:

- 유리;

- 플라스틱;

- 폴리머 재료.

본 개시의 일 실시예에서, 디바이스에 입사되고 전파되는 전자기파들로부터, 근거리 구역에서 필드 강도 분포를 형성하기 위한 디바이스가 제안된다. 이러한 디바이스는:

단차를 형성하는 레벨의 적어도 하나의 급격한 변화를 가진 표면을 갖는 제1 굴절률 n₁을 가진, 적어도 하나의 유전체 재료 층;

상기 단차와 접촉하는, 상기 제1 굴절률 n₁보다 낮은 제2 굴절률 n₂를 가진 요소를 포함하고;

상기 단차는 상기 전자기파들의 전파 방향에 비해 기울어진 빔을 생성한다.

변형예에서, 기울어진 빔은 파장의 1/2부터 파장의 정수배까지 달라질 수 있는 길이를 갖고, 파장은 상기 유전체 재료에서의 상기 전자기파들의 파장이다.

변형예에서, 디바이스는 상기 기울어진 빔의 전파 방향을 따라 위치된 수신 요소를 포함한다.

변형예에서, 수신 요소는 상기 빔의 핫 스폿에 위치된다.

변형예에서, 수신 요소는 상기 단차로부터 거리 d에 위치되고, 여기서 d는 하나의 λ₁에서 λ₁의 10배 사이이고, λ₁은 상기 유전체 재료에서의 상기 전자기파들의 파장이다.

변형예에서, 기울어진 빔은 상기 제1 굴절률 n₁ 및/또는 상기 제2 굴절률 n₂의 함수, 및/또는 상기 단차에 비해 상기 입사 전자기파들의 입사 각도들, 및/또는 단차 베이스 각도의 함수로서 정의되는 복사의 각도와 연관된다.

변형예에서, 복사의 각도는 대략 (90°-asin(n₂/n₁))/2와 동등한 값이다.

변형예에서, 복사의 각도는 n₁ = 1.49 및 n₂ = 1일 때 대략 23°이고, n₁ = 2 및 n₂ = 1일 때 대략 30°이다.

변형예에서, 디바이스는 단색 전자기파들인 입사 전자기파들에 대한 빔들을 형성하는 데 적합하고, 상기 단색 전자기파들 각각은 대략 480nm 또는 525nm 또는 650nm인 값과 동등한 파장을 갖는다.

본 개시는 보호의 범위를 제한하지 않고 예로서 주어진 다음의 설명 및 도면들을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술의 종래의 굴절(도 1a) 및 회절(도 1b) 렌즈들, 나노젯 마이크로스피어(도 1c) 및 테라젯 입방체들(도 1d)을 도시한다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 단차를 갖는 유전체 층에 의해 생성된 나노젯 빔의 개략 도면으로, 도 2a는 측면도 및 도 2b 및 도 2c의 2개의 대체 실시예에 따른 상부도들이다.
도 3은 단차가 둥근 상부 에지를 갖는, 도 2a의 대체 실시예를 예시한다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 유전체 재료 층에 형성된 마이크로 공동의 토폴로지를 예시한다.
도 5a 내지 도 5e는 상이한 파장들에서 아래로부터 평면 파에 의해 조명될 때 원형 실린더 형상을 가진 도 4의 공동에 의한 나노젯 빔의 형성을 예시한다.
도 6a 및 도 6b는 도 5a 내지 도 5e의 나노젯 빔 복사 각도의 분석을 제공한다.
도 7a 및 도 7b는 본 개시의 실시예들의 기초가 되는 복잡한 전자기 현상을 예시한다.
도 8a 내지 도 8c는 본 개시의 실시예들에 따른 아래로부터 단위-진폭 평면 파에 의해 조명될 때 상이한 높이들의 원형 실린더형 공동들에 의해 생성된 나노젯 빔의 근거리-필드 맵들을 예시한다.
도 9a 내지 도 9d는 XY 평면(하부 행)에서의 섹션 및 XZ-평면(상부 행)에서의 단위-진폭 평면 파의 상이한 입사 각도들 하에서 중공 원형 실린더형 공동에 의해 생성된 나노젯 빔들을 예시한다.
도 10a 및 도 10b는 본 개시의 실시예들에 따른 XY 평면(하부 행)에서의 섹션 및 XZ-평면(상부 행)에서의 상이한 굴절률들을 갖는 상이한 호스트 매체에 대해 관찰된 나노젯 빔 현상들을 예시한다.
도 11은 본 개시의 실시예들에 따른, 각각이 단면 경계의 상이한 형상, 즉: (a) 원형, (b) 정사각형, (c) 8-형상 및, (d) 직사각형을 가진 4개의 예시적인 실린더형 공동들의 상부도를 도시한다.
도 12a 내지 도 12d는 XY 평면(하부 행)에서의 섹션 및 XZ-평면(상부 행)에서의 도 11의 각 공동에 대한 대응하는 시뮬레이션된 근거리-필드 맵들을 예시한다.
도 13a 내지 도 13c는 상이한 단면들을 갖는 3개의 예시적인 실린더형 공동에 대한 촬상 평면에서의 필드 강도 분포의 개략 도면들이다.
도 14는 본 개시의 일 실시예에 따른 컴포넌트의 구현을 위한 개략 도면을 제공한다.
도 15a 내지 도 15f는 도 14의 컴포넌트에 대한 대체 실시예들의 측면도들을 예시한다.
도 16은 도 14 및 도 15의 디바이스들의 전형적인 이용 시나리오를 예시한다.
도 17은 포커싱 컴포넌트가 호스트 매체에 임베드된 동일한 중공 입방체 형상의 공동들의 2×2 평면 어레이에 기초하는, 본 개시의 특정 실시예를 예시한다.
도 18은 도 17의 중공 입방체 형상의 공동들이 평면 파 전파 방향을 따라 배향된 중공 원형 실린더들로 대체된 대체 실시예를 예시한다.
도 19는 유전체 매체 및 자유 공간의 경계에서 중공 원형 실린더들의 2×2 어레이가 생성되는 또 다른 실시예를 예시한다.
도 20은 도 17, 도 18 및 도 19의 3개의 실시예 모두에 의해 생성된 나노젯 빔들의 프로파일들을 예시한다.
도 21은 호스트 매체에 임베드된 중공 실린더들의 단일-주기적(도 21a) 및 이중-주기적(도 21b) 어레이들에 기초한 2개의 부가의 예시적인 실시예를 제공한다.
도 22a 및 도 22b는 도 21a 및 도 21b의 주기적 구조들에 대한 가능한 구현 실시예를 예시하는 개략 도면들로, 상부 행에는 측면도들이 있고 하부 행에는 상부도들이 있다.
도 23은 도 21a 및 도 21b의 주기적 구조들에 대한 가능한 대체 구현 실시예를 나타낸다.
도들에서의 컴포넌트들은 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아니고, 대신 본 개시의 원리를 설명하는 데 강조된다.

본 개시의 일반적인 원리는 나노젯(nanojets)이라고도 불리는, 근거리 구역에서 응축된 저-분산형 광 빔들을 생성하는 데 이용될 수 있는, 새로운 유전체 미세 구조의 설계에 의존한다. 그의 용도는 광학 파장들에 제한되지 않는다. 유전체 미세 구조 내의 굴절률의 단차가 굴절 및 간섭 현상에 차례로 결합되는, 회절 현상을 발생시키고, 구조의 형상과 치수에 따라, 유전체 미세 구조가 평면 파에 의해 조명될 때 근거리 구역에서 응축 복사 빔(들)을 생성하는 것을 허용한다.

반대로, 이러한 유전체 미세 구조는 전자기 복사의 국소적인 소스에 의해 또는 단차의 측면 에지에 가까이 위치하는 다른 빔-형성 요소에 의해 생성된 전자기파의 비평면 파면을 국소적으로 평면인 파면 또는 빔으로 변환하는 데 이용될 수 있다.

근거리 구역에서 하나 또는 여러 나노젯 빔(들)의 형성은 디바이스에 입사되는 평면(또는 국소적으로 평면) 파와 함께 나타난다. 디바이스가 반전 모드로 기능할 때, 초점 포인트에(즉, 나노젯 빔 영역에) 배치된 국소적인 소스를 이용하여, 무한대로 연장되는 무한히 긴 빔과 동등한 국소적-평면 파가 형성된다.

이러한 나노젯 디바이스들의 빔-형성 기능은 단차의 에지 라인 길이 및 곡률은 물론 그의 베이스 각도를 설정함으로써 제어될 수 있다.

이러한 일반적인 원리는 모바일 기술 분야의 필수적 컴포넌트들인 사진/비디오 카메라들에서 이용되는 집적 광학 센서들과 같이, 고밀도 옵틱 및 포토닉 시스템에서 종래의 포커싱 디바이스들을 대체할 수 있는 새로운 포커싱 및 빔-형성 컴포넌트들을 설계하는 것을 허용한다(예를 들어, 스마트폰, 태블릿, 증강 현실(AR) 및 가상 현실(VR) 안경).

이러한 유전체 미세 구조들의 초소형 치수는 물론 이러한 미세 구조들의 이용을 통해 생성될 수 있는 필드 패턴들의 광범위 및 다양성 덕분에, 본 개시는 다음을 포함하지만, 그에 제한되지 않는, 여러 기술 분야에서 이용될 수 있다:

- AR 및 VR 안경을 포함한 안경류 전자 제품;

- 사진/비디오/라이트 필드 카메라용 광학 센서;

- 양자 컴퓨터를 포함한 광 통신 시스템;

- 랩-온-칩(lab-on-chip) 센서를 포함한 생/화학적 센서;

- 현미경, 분광학 및 계측학 시스템;

- 밀리미터/서브-밀리미터/적외선(IR) 파장 범위의 응용들을 위한 통합 렌즈 안테나.

다음 논의는 대부분 광학 응용에 초점을 맞추고 따라서 나노스케일 구조들 및 파장과 관련된 재료 속성들 및 제작 방법들을 언급한다. 그럼에도 불구하고, 제안된 설계 개념들은 마이크로파, mm-파, THz, IR, 가시광 및 UV를 포함한 다른 파장 범위들로 쉽게 확장될 수 있다.

본 개시의 발명자들은, 회절이 발생하는 유전체 재료의 베이스 표면이 유전체 재료의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가진 물질(재료 또는 가스)과 접촉할 때, 단차라고도 불리는, 상기 유전체 재료의 베이스 표면의 레벨의 급격한 변화에 근접한 표면 상에서의 평면 전자기파의 회절은 응축된 광 빔(소위 나노젯)의 형성을 야기할 수 있다는 결론에 도달한다. 빔의 수 및 각 개개의 빔의 형상은 단차의 측면 및 아래쪽 표면에 인접한 단차 에지 라인의 형상 및 단차 크기의 변화에 의해 제어될 수 있다. 프레넬 이론에 의해 예측된 잘 알려진 회절 빔과는 달리, 나노젯 빔은 저-분산형이다(이들은 파장 의존성이 없거나 작다). 더욱이, 본 개시에 따른 동일한 나노젯 포커싱 컴포넌트는 프레넬 회절 렌즈로는 가능하지 않은 단차 에지 라인의 상이한 세그먼트들과 연관된 다수의 독립적인 빔(동일한 또는 비동일한 형상을 가짐)을 생성할 수 있다. 이들 고유한 피처들은 본 개시에 따른 나노젯-기반 포커싱 컴포넌트들을 많은 오늘날 및 미래의 응용들에 매력적인 것으로 만든다.

도 2 내지 도 10은 본 개시에 따른 나노젯 빔의 형성을 설명하는 물리적 현상을 이해할 수 있게 한다.

도 2는 유전체 층(112)의 표면의 레벨에서 급격한 변화가 발생하고, 따라서 층에 단차를 형성하는 본 개시의 실시예를 예시한다. 도 2a는 유전체 층(112)의 측면도를 도시한다. 도 2b 및 도 2c는 각각 직선(도 2b) 및 곡선(도 2c) 에지 라인을 갖는 단차의 경우의 상부도들을 예시한다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 디바이스는 디바이스의 베이스로부터 나오고 유전체 층(112)의 베이스 표면에 직각인 입사 파(20)에 의해 z-축을 따라 조명된다. 도 2b 및 도 2c에서 파선 점선 화살표로 개략적으로 도시된 바와 같이, 나노젯 빔(55)이 수평 부분(120) 및 측면 부분(121)(이는 또한 z-축에 대해 기울어질 수 있다)을 포함하는 단차의 베이스 에지로부터 유래한다.

22 내지 24로 참조된 스폿들은 촬상 평면에 형성된 근거리-필드 분포에서의 대응하는 핫 스폿들을 나타낸다. 도 2c에서 관찰된 2개의 핫 스폿(23, 24)을 갖는 특정 필드 분포는 2개의 독립적인 나노젯 빔의 형성에 책임이 있는 2개의 오목 세그먼트를 갖는 에지 라인의 형상과 연관된다.

도 3은 유전체 층(112)에 형성된 단차가 둥근 상부 에지(122)를 나타내는 도 2a의 대체 실시예를 예시한다. 이러한 단차는 또한 도 2a에서와 같이, 입사 파(20)에 의해 조명될 때, 단차의 베이스 에지로부터 유래하는 나노젯 빔(55)을 생성할 것이다.

도 4는 유전체 재료 층의 표면에 형성된 단차가 사실상 유전체 재료 층(112)에 만들어진 마이크로 공동(111)의 에지인, 본 개시의 실시예를 예시한다. 본 개시는 물론 이러한 실시예로 제한되지 않고, 유전체 재료의 표면에 가까운 굴절률 및 레벨의 임의의 급격한 변화는 이하에 설명될 물리적 현상을 생성하기에 충분하다. 이러한 단차는 실제로 무한 크기의 공동의 에지로 간주될 수 있다.

단차의 경우, 포커싱 기능이 전체 구조와 연관되는 것이 아니라 이 단차 불연속의 기본 세그먼트와 연관되어야 한다는 것을 이해해야 한다. 단차 불연속의 다른 세그먼트들은 (i) 단차들의 라인의 경우에서와 같이 넓은 균일한 "블레이드 유사" 나노젯 빔(도 2a 및 2b 참조), 또는 (ii) 임의의 큰 원형 실린더형 공동의 경우에서의 같이 링(도 12a, 13a 참조), 또는 (iii) 임의 형상의 공동의 곡선 에지에 의해 생성된 상이한 형상의 임의 수의 국소화된 빔(도 13c 참조)을 모두 함께 형성할 수 있는 다른 나노젯 빔들의 형성에 기여할 것이다.

그러므로, 단순화를 위해, 이하에서는 도 4에 예시된 것과 같이, 유전체 재료 층(112)의 층에 형성된 마이크로 공동(111)의 예에 초점을 맞춘다.

관찰될 수 있는 바와 같이, 이러한 공동은 임의 형상의 단면을 갖는 실린더형이다. 실린더형 공동이란, 여기서, 그리고 이 문헌의 전체에 걸쳐, 그 형상이 실린더, 즉 닫힌 2차원 곡선을 그 곡선의 평면과 교차하는 축을 따라 투영함으로써 생성된 표면인 공동을 의미한다. 다시 말해서, 이러한 실린더는 직원형 실린더에 제한되지 않고, 특히, 그러나 배타적이지는 않게, 예를 들어 입방체 또는 프리즘과 같은, 임의의 타입의 실린더를처 커버한다.

도 4는 이하에서 이 문헌에서 사용될, 일부 표기법을 제공한다. 관찰될 수 있는 바와 같이, 공동은 굴절률 n₁의 호스트 매체인 매체 1(112)에 담기고(immersed), 비어 있거나 굴절률 n₂의 재료(공기, 가스, 액체, 폴리머 재료...)인 매체 2로 채워진다(여기서 n₂ < n₁).

예를 들어, 공동은 진공(n₂

1)으로 채워지고 예시적인 굴절률 n₁ = 1.49를 갖는 균질의 비-분산형 유전체 매체에 임베드된 원형 실린더의 형태를 가진다.

평면 파가 아래로부터 z-축을 따라 입사된다(표기법은 도 4 참조). 도 5는 이 평면 파에 의해 조명될 때 이러한 공동에 의한 나노젯 빔의 형성을 예시한다. 보다 정확하게는, 도 5a 내지 도 5e는 각각 입사 전자기파의 상이한 파장, 즉 λ₀ = 450, 500, 550, 600 및 650nm에 대응하고, 굴절률 n₁=1.49를 갖는 매체에 임베드된 중공 원형 실린더(n₂

1, L_z = 740nm, R=370nm)의 경우에 대한 평균 포인팅 벡터(Poynting vector)에 관련하여 플로팅된 XZ-평면에서의 근거리-필드 맵들을 도시한다. 공동은 아래로부터의 단위-진폭의 Ey-편광된 평면 파에 의해 조명된다.

관찰될 수 있는 바와 같이, 나노젯 빔의 형상과 그의 방향은 저 분산형 유전체 재료(파장이 변할 때 n₂/n₁은 거의 일정함)에 대해 넓은 파장 범위에서 안정적으로 유지된다. 나노젯 빔 복사 각도의 상세한 분석이 도 6a 및 도 6b에 보고되어 있다. 도 6a는 도 5의 5개의 상이한 파장에 대해, z = z₀ - L_z로 정의된 3개의 상이한 평면에서 XZ-평면에서의 포인팅 벡터를 예시한다. 도 6b는 파장의 함수로서 도 6a에서 최대치들의 위치에 기초하여 계산된 나노젯 빔 복사 각도를 예시한다.

근거리-필드 맵으로부터 추출된 이들 데이터는 적어도 450 내지 750nm의 파장 범위에 대해 나노젯 빔 복사 각도의 변화가 3°를 초과하지 않음을 나타낸다(이하에서 유전체 재료는 균질, 등방성 및 비-분산형인 것으로 가정됨). 도 6a에서 알 수 있는 바와 같이, 각도 변화에 대한 주요 기여분은 실린더 위의 빔 기울기(beam tilt)로부터 나오고(z₀ = 1500nm, 여기서 z₀은 공동 베이스(120)에 대해 정의된 촬상 평면의 상대 위치, 즉 z₀ = z - L_z), 반면 (z₀ = 500nm)에서의 빔 형상은 전체 파장 범위에 대해 안정적으로 유지된다. 이러한 거동은 프레넬-타입 회절 렌즈에 대해 일반적이지 않으며 따라서 상세한 설명을 요구한다.

나노젯 빔의 기원은 중공 공동의 베이스 에지 부근에서(또는 보다 일반적으로는 유전체 재료의 표면의 레벨의 급격한 변화 부근에서) 발생하는 3가지 전자기 현상의 조합에 의해 설명될 수 있는데, 그 3가지 현상은 즉 다음과 같다:

공동의 베이스(120)(또는 보다 일반적으로는 호스트 매체에 형성된 단차의 아래쪽 레벨의 표면)와 연관된 굴절률-단차 불연속으로부터의 회절,

공동의 측면 에지(121)에서의(또는 보다 일반적으로는 단차의 측면 부분에서의) 회절 파의 굴절, 및

공동 외부에서의(또는 보다 일반적으로는 호스트 매체에서의) 굴절 파와 입사 평면 파의 간섭.

이들 3가지 현상을 예시하는 개략 도면이 도 7a 및 도 7b에 주어져 있다. 도 5 및 도 6에서와 같이, 호스트 매체는 굴절률 n₁ = 1.49인 광학적으로 투명한 비-분산형 유전체 재료(예를 들어, 플라스틱 또는 유리)이고 공동은 진공(n₂ = 1)으로 채워져 있다고 가정한다. 입사 평면 파는 다이어그램에서 아래로부터 도착한다.

도 7a 및 도 7b에 예시된 복잡한 전자기 현상의 핵심 요소들은 다음과 같다:

- 입사 평면 파는 공동 베이스와 연관된 유전체-공기 경계(120)에서 전류를 유도한다(또는 보다 일반적으로는 그의 표면에서의 레벨의 급격한 변화에 의해 유도된 호스트 매체에서의 굴절률의 단차에 도달할 때);

- 이들 유도 전류는 호이겐스 2차 소스(Huygens secondary source)들(50 내지 53)로 간주된다;

- 회절 이론에 따라, 호이겐스 소스들에 의해 방사된 구형 파들(54)은 '음영 영역'을 향해, 즉 공동의 측면 경계(121)를 향해 약간의 전력 누설을 야기한다;

- 측면(수직) 경계를 지나는 동안, 호이겐스 소스들에 의해 방사된 파들은 스넬-데카르트의 법칙(Snell-Descartes's law)에 따라 특정 각도에서 굴절 파의 기울기를 야기하는 굴절을 경험한다.

- 도 7b에서, 공동 외부에서 파면들은 공동 베이스 라인을 따르는 상이한 호이겐스 소스 위치들에 대해 일치하고, 따라서 국소적인 필드 향상을 생성한다는 것을 알 수 있다. 이들 면의 평면 형상은 공동 밖으로 전파되는 지향성 빔 생성에 대한 증거가 된다.

- 최종적으로, 공동 외부에서 굴절 파는 아래로부터 입사되는 평면 파와 보강적으로 간섭(56, 57)하여 나노젯 빔(55)을 발생시킨다.

따라서 나노젯 빔 생성은 본질적으로 비-분산형인 현상, 즉 (i) 에지 회절, (ii) 2개의 유전체 매체의 계면에서의 파의 굴절, (iii) 간섭에 의해 설명된다. 이는 도 5a 내지 도 5e에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 빔의 형상 및 그의 복사 각도가 파장에 대해 안정적으로 유지되는 이유를 설명한다.

더욱이, 공동의 베이스 상에 평면 파의 수직 입사의 경우, 나노젯 빔 복사 각도는 스넬의 법칙에 의해 정의되고, 따라서 다음 2개의 파라미터의 함수일 뿐이다:

(i) 호스트 매체와 공동 재료의 굴절률들 사이의 비율, 및

(ii) 프리즘형 공동의 베이스 각도. 단순화를 위해, 전술한 내용에서는, 베이스 각도가 90°이고 따라서 수직 에지들을 갖는 실린더형 형상을 가진 프리즘형 공동만을 고려한다.

마지막으로, 나노젯 빔-형성 현상은 공동의 에지(전체 애퍼처가 아님)와 연관되어 있으며 공동 단면에 직각인 2-D 수직 평면에서 발생한다(표기법은 도 4 참조).

도 7b로부터 후속하는 바와 같이, 공동 외부의 굴절 파의 평면 파면의 형성에 대한 주요 기여분은 공동의 측면 에지(121)에 가까이 위치한 호이겐스 소스들(50-53)로부터 나온다. 이 때문에, 공동 바깥쪽으로 방사된 파의 굴절 각도는 외부로부터 동일한 경계에 입사되는 파의 임계 각도에 가깝다(도 7a):

, 여기서

는 임계 각도이다. (1)

나노젯 빔(55)은 굴절 파와 아래로부터 입사되는 평면 파 사이의 간섭의 결과로서 최종적으로 생성되고, 나노젯 빔의 복사의 각도(θ_B)는 도 7a에 개략적으로 도시된 바와 같이 2개의 파의 벡터 합에 의해 정의된다. 이들 고려 사항은 나노젯 빔의 복사 각도에 대한 다음 근사 공식을 유도한다:

(2)

방정식 (2)에 따라, 굴절률

을 갖는 호스트 매체의 경우, 나노젯 빔 복사 각도는 전체-파 시뮬레이션에서 관찰된 것보다 약간 더 큰

이어야 한다(도 6b 참조). 이 차이는 정성적 분석에서 이루어진 몇 가지 가정에 의해 설명된다. 첫째, 이 분석은 굴절 및 입사 파의 진폭의 차이를 고려하지 않는다. 둘째, 그것은 공동 측면 에지에서 전반사(total internal reflection)를 경험하는 외부로부터 공동 에지에 가까이 위치한 호이겐스 소스들에 의해 발사된 광선들을 고려하지 않는다. 완전히 반사되는, 이들 광선은 또한 나노젯 빔의 형성에 기여한다. 이들 두 가지 효과는 전반사 현상과 관련되며 따라서 스넬/프레넬(Snell/Fresnel) 모델을 이용하여 정확하게 특성화될 수 없다. 그럼에도 불구하고, 양쪽 효과는 (i) 2개의 매체의 굴절률의 비율에 의존하고 (ii) 나노젯 복사 각도를 감소시키는 결과를 가져온다. 따라서, 실제 나노젯 복사 각도는 방정식 (2)에 의해 예측된 것보다 작을 수 있다.

도 8a 내지 도 8c는 아래로부터 단위-진폭 평면 파에 의해 조명될 때 상이한 높이들((a) H=L_z=370nm, (b) H=L_z=740nm, (c) H=L_z=1110nm)의 실린더형 공동들(n₁=1.49, n₂=1, R=370nm)에 의해 생성된 나노젯 빔의 근거리-필드 맵들을 예시한다. 관찰될 수 있는 바와 같이, 나노젯 현상은 호스트 매체에서 약 하나의 파장부터 파장의 정수배까지 달라지는 공동 크기, 즉 λ₁ < L_z < 3λ₁대해 잘 알려져 있다.

최소 높이는 나노젯 빔을 발생시키는 도 7b에 예시된 평면 파면을 형성하는 데 필요하다. 그러나, 공동의 높이(또는 단차의 높이)는 포커싱 컴포넌트 외부에서 유용하기 위해서는, 나노젯 빔의 길이에 비해 너무 커서는 안 된다.

도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이, 나노젯 빔의 길이는 공동 형상 및 크기에 따라 호스트 매체에서 약간의 파장에서 몇 개의 파장까지 달라질 수 있다.

도 7b의 2-D 광선-추적 분석에 기초하여, 나노젯 빔의 형성에 주요한 기여분은 공동 측면 에지(또는 단차의 측면 부분)에 가까이 위치한 피드들로부터 나온다. 나노젯 빔의 형성에 책임이 있는 대응하는 '유효 애퍼처'는, 공동 안쪽의 측면 에지로부터 카운팅되어야 하는 공동 내부의 매체에서의 파장의 약 절반(½λ₂)으로 추정된다. 임의 형상을 가진 공동에 대하여, 이 애퍼처는 공동 단면 경계 S(도 4 참조)에 직각인 라인을 따라 정의되어야 한다.

2-D 경우에(예를 들어, xz-평면에서, 임의의 수직 단면에 대응할 수 있음), 나노젯 빔 형성으로 인한 국소 필드 강도 향상(FIE)은 입사 평면 파에 비해 약 2배이다. 이하에서 보다 상세히 설명하는 바와 같이, 공동 단면 S의 형상을 수정하는 것에 의해, 또는 여러 공동으로부터의 기여분을 결합함으로써 더 큰 FIE가 달성될 수 있다.

나노젯 빔 FWHP(full width at half power)는 공동의 형상에 따라 약 파장의 1/2(즉, Abbe 회절 한계)부터 몇 개의 파장 또는 그 이상까지 달라질 수 있다.

도 9a 내지 도 9d는 XZ-평면에서 단위-진폭 평면 파의 상이한 입사 각도들, 즉 도 9a에서 θ = 0°, 도 9b에서 θ = 10°, 도 9c에서 θ = 20° 및 도 9d에서 θ = 30° 하에서 중공 실린더형 공동(n₁=1.49, n₂=1, L_z=740nm, R=370nm)에 의해 생성된 나노젯 빔들을 도시한다.

XY-평면의 근거리-필드 패턴의 대칭성(도 9a 참조)은 입사 파의 TE(Transverse Electric) 및 TM(Transverse Magnetic) 편광 양쪽 모두에 대해 빔 형상과 복사 각도가 거의 일정하게 유지되는 것을 입증한다.

더욱이, 경사 입사의 경우, 빔 복사 각도는 평면 파의 입사 각도에 대응하여 변화한다는 것이 도 9에서 관찰될 수 있다. 빔의 형상과 필드 강도 향상은 약 θ_B까지의 입사 각도에 대해 거의 일정하게 유지된다.

도 10은 표준 광학 플라스틱 및 표준 또는 도핑된 유리를 포함한, 상이한 호스트 매체들에 대해 관찰되는 나노젯 빔 현상을 예시한다. 이러한 나노젯 빔들은 동일한 물리적 치수(n₂=1, L_z=740nm, R=370nm)를 갖지만 굴절률 n₁=1.49(도 10a) 및 n₁=2.0(도 10b)의 호스트 매체에 임베드된 중공 원형 실린더형 공동에 의해 생성된다.

도 2 내지 도 10을 통해 예시된 복잡한 전자기 현상을 이해함으로써, 나노젯 포커싱 컴포넌트, 빔-형성 컴포넌트, 또는 보다 일반적으로 근거리 구역에서 원하는 필드 강도 분포를 형성하기 위한 컴포넌트로서 이용될 수 있는 흥미로운 디바이스를 설계할 수 있다. 이러한 컴포넌트들은 입사 평면 파를 하나 또는 다수의 독립적인 빔으로 변환하기 위해, 또는 반대로, 전자기파의 대칭 경로 속성들에 따라 입사 비평면 파(그의 파장이 어떤 것이든)를 국소 평면 파로 변환하기 위해 이용될 수 있다.

본 개시에서 위에 설명된 바와 같이, 나노젯 빔들의 형성은 유전체 재료 층에서의 단차의 측면 부분과, 또는 공동의 에지와 연관되지만, 그의 전체 애퍼처와는 연관되지 않는다. 공동의 단면 S의 형상을 최적화함으로써, 이 공동에 의해 생성된 나노젯 빔(들)의 형상을 제어하는 것이 가능하다.

도 11은 각각이 상이한 형상, 즉: (a) 원형, (b) 정사각형, (c) 8-형상 및 (d) 직사각형의 단면 경계를 가진 4개의 예시적인 실린더형 공동을 예시한다. 파선들은 이들 공동이 도면들의 평면으로부터, z-축을 따라 전파되는 평면 파에 의해 조명될 때 나노젯 빔들이 생성되는, 일부 수직 절단 평면들을 개략적으로 도시한다. 이들 절단 평면들은 공동 단면 경계의 대응하는 포인트들에서 정의된 법선 벡터들의 방향에 대해 정의된다. 각각의 공동에 대한 대응하는 시뮬레이션된 근거리-필드 맵들이 도 12a 내지 도 12d에 도시되어 있는데, 이는 동일한 높이 및 반경을 갖지만 아래로부터 단위-진폭 평면 파에 의해 조명된 상이한 단면 형상들: (a) 원형, (b) 8-형상, (d) 직사각형을 가진 중공 공동들(L_z = L_x = R = 740nm) 대한 xz-평면(y=0) 및 xy-평면(z = 1000nm - z₀)에서의 근거리-필드 패턴들을 예시한다. xy-평면에서의 스폿들(101 내지 104)은 그 형상과 위치가 도 8에 주어진 예측과 일치하는 나노젯 빔들을 식별한다(이들 근거리-필드 맵은 임의 선택된 xy-평면 z₀ = 1000nm에서 계산된다).

특히, 도 12a는 축 대칭 원형 공동이 발산하는 원뿔형 빔을 생성하는 것을 예시한다. 흥미롭게 유의할 점은, 이 원뿔형 빔은 거의 대칭이며(수평 xy-평면에서 근거리-필드 패턴 참조), 이는 이러한 컴포넌트의 편광에 둔감한 거동에 대한 증거라는 점이다. 이 구성에서, 최대 FIE는 동일한 호스트 매체에서 전파되는 평면 파에 비해, ~2배와 동등하다.

유의할 점은, 도 12의 근거리-필드 맵들은 시간 평균 포인팅 벡터 P에 관련하여 플로팅되어 있다는 점이다. 굴절률 n을 갖는 비-분산형 균질 유전체 매체에서 전파되는 평면 파의 경우, 이 기준 전자기 필드는 다음과 같이 정의된다:

(4)

여기서 E_m은 E-필드의 진폭이고,

는 매체에서의 파 임피던스이고, n은 굴절률이다. 굴절률 n = 1.49인 호스트 매체의 경우, 시간 평균 포인팅 벡터에 의해 특성화되는 출력 밀도의 기준 값은 ~1.94 mW/m2이다.

도 12b 및 도 12c는 공동 단면 S를 원형으로부터 직사각형 및 8-형상으로 변환함에 따라 어떻게 4개의(102로 참조) 및 2개의(103으로 참조) 나노젯 빔을 각각 갖는 다중-빔 근거리-필드 패턴들이 형성되는지를 보여준다. 이 빔-형성 효과는 경계 세그먼트들을 볼록 형상에서 평면 형상으로 그리고 그 후 오목 형상으로 각각 변환하는 것과 관련된다. 도 12b 및 도 12c에서 관찰된 빔들은 원형 실린더(도 12a)에 의해 생성된 원뿔형 빔 중 하나와 유사한 복사 각도를 갖는다. 동시에, 방위 각도에 관련하여 빔들의 폭이 상이하다. 공동 단면 경계 S의 오목 세그먼트의 내각이 클수록, 빔이 좁아지고 필드 강도가 높아진다. 특히 도 12b(정사각형 형상) 및 도 12c(8-형상)에 제시된 2개의 공동에 대한 FIE는 각각 ~2.5배 및 ~2.8배와 동등하다.

최종적으로, 도 12d는 넓은 블레이드 유사 나노젯 빔이 중공 직사각형 공동에 의해 생성된다는 것을 보여준다. 이 예는 넓은 빔들을 형성하는 가능성을 증명하고, 이는 좁은 형상의 영역들의 균일한 조명을 요구하는 특정 응용들에 대해 관심의 대상이 될 수 있다.

따라서 공동의 경계 곡률은 나노젯 빔 형상, 위치, 및 필드 강도 향상을 위한 도구이다.

동일한 접근법을 이용하여 임의 수의 동일한 또는 상이한 나노젯 빔을 생성하는 대칭 또는 비대칭 단면을 갖는 보다 복잡한 컴포넌트들을 구축할 수 있다.

이들 예시적인 실시예들 중 일부가 도 13에 예시되어 있는데, 이는 상이한 단면들을 갖는 3개의 예시적인 실린더형 공동들에 대한 촬상 평면 내의 필드 강도 분포의 개략 도면을 나타낸다. 보다 정확하게는, 도 13a는 이미 도 11a에 의해 예시된 바와 같이 원형 단면을 갖는 공동(111a)을 예시한다: 파선 화살표들은 나노젯 빔들이 이 공동(111a)의 하부로부터 유래한다는 것을 개략적으로 도시한다. 링(551)은 이들 나노젯 빔으로 인해 형성된 근거리-필드 분포의 핫 스폿들을 나타낸다.

도 13b는 비대칭 공동(111b)을 도시하고, xy-평면에서의 그 단면은 어떻게든 삼각형이지만, 삼각형의 3개의 에지 중 하나는 오목하다. 이러한 대략 삼각형 공동(111b)은 3개의 스폿(552, 553 및 554)을 생성하고, 그 중 하나(554)가 오목 면으로 인해 향상된다.

도 13c는 5개의 직선 또는 오목 세그먼트를 갖는 임의 형상인 공동을 예시한다. 스폿들(555 내지 559)은 파선 화살표로 개략적으로 도시된 바와 같이, 단차의 베이스 에지로부터 유래하는 나노젯 빔들로 인해 형성된 근거리-필드 분포의 핫 스폿들을 나타낸다. 도 13c에서 관찰된 5개의 핫 스폿을 갖는 특정 필드 분포는 5개의 독립적인 나노젯 빔의 형성에 책임이 있는 5개의 직선 또는 오목 세그먼트를 가진 에지 라인의 특정 형상과 관련되어 있다.

도 14는 본 개시의 일 실시예에 따른 이러한 컴포넌트의 구현을 위한 개략 도면을 제공한다.

이러한 디바이스는 다음을 포함하는 다층 구조를 나타낸다:

- 예를 들어 유리 또는 플라스틱으로 만들어질 수 있는, 기판을 형성하는 제1 층(110);

- 기판(110)과 접하는 제2 유전체 재료 층(112);

- 유전체 층(112)의 상부에, 수퍼스트레이트(113)를 형성하는 제3 층. 수퍼스트레이트는 예를 들어 유리 또는 플라스틱으로 만들어질 수 있다. 도 11의 실시예에서, 기판(110) 및 수퍼스트레이트(113)에 대해 동일한 재료가 사용되지만, 이는 필수는 아니다.

임의 단면의 공동(111)이 유전체 재료 층(112)에 형성된다. 도 14는 공동(111)의 3D-뷰는 물론 컴포넌트의 측면도 및 상부도 양쪽 모두를 제공한다.

일 실시예에서, 도 14의 디바이스는 그 표면에 직각이 되도록 배향된 실린더형 마이크로-공동이 임베드된 평면의 광학적으로 투명한(예를 들어, 유리) 플레이트이다. 기판(110) 및 수퍼스트레이트(113)는 양쪽 모두 유리 플레이트이고, 유전체 재료 층(112)은 PMMA(폴리(메틸 메타크릴레이트))와 같은 광학적으로 투명한 폴리머로 만들어진 얇은 필름이다.

이러한 컴포넌트의 제조 프로세스는 먼저 유리 플레이트(110) 상에 원하는 두께의 필름(112)을 퇴적하는 것으로 이루어질 수 있다; 그 후 이 필름(112)에, 임의의 확립된 미세 제작 기법, 예를 들어 광학 또는 전자-빔 리소그래피를 이용하여 공동들(111)이 생성된다. 최종적으로, 구조물은 다른 유리 플레이트(113)로 커버된다.

따라서, 기존의 아날로그와는 달리, 단순한 토폴로지와 필요한 굴절률을 갖는 유전체 재료의 이용 가능성 때문에, 확립된 평면 제작 기술을 사용하여 이러한 컴포넌트가 제작될 수 있다.

도 15a 내지 도 15f는 도 14의 컴포넌트에 대한 대체 실시예들의 측면도들을 예시한다.

도 15a에서, 컴포넌트는 유전체 재료의 단일 층(single layer of dielectric material)(112)으로 만들어진다. 유전체 층(112)의 표면 레벨의 급격한 변화가 단차를 형성하고, 이는 또한 하부로부터 컴포넌트에 도달하는 입사 파에 대한 굴절률의 단차를 유도하는데, 이는 컴포넌트를 둘러싸는 공기가 유전체 재료(112)보다 낮은 굴절률을 가지기 때문이다. 따라서, 도 2 내지 도 10과 관련하여 위에 설명된 복잡한 전자기 현상은 먼저 표면의 아래쪽 부분(120)에서의 평면 입사 파의 회절에 의해, 그리고 그 후 단차의 측면 부분(121)에서의 회절 파의 굴절에 의해 출현한다.

컴포넌트는 또한 공기 이외의 다른 재료, 예를 들어 다른 가스에 담길 수 있거나, 또는 표면의 아래쪽 부분(120)은 유전체 재료(112)보다 낮은 굴절률을 가진 임의의 다른 물질과 접촉할 수 있다.

도 15b는 컴포넌트가 유전체 재료의 단일 층(112)를 포함하고, 그 유전체 재료 층에 스루-홀로서 공동이 형성되고, 따라서 공동의 높이가 유전체 층(112)의 두께에 대응하는, 다른 실시예를 예시한다.

도 15c는 컴포넌트가 유전체 재료의 단일 층(112)를 포함하고, 그 유전체 재료 층에 공동(111)이 형성되고, 그 높이가 유전체 재료 층(112)의 두께보다 작은, 다른 실시예를 예시한다. 공동의 높이와 그의 단면 양쪽 모두는 컴포넌트에 의해 생성될 빔의 함수로서 임의로 선택될 수 있다. 특히, 공동의 상부는 반드시 유전체 층(112)의 상부 표면에 대응할 필요는 없다.

공동(111)이 무한 치수인 특정 실시예는 도 15a의 실시예에 대응하고, 단차는 공동(111)의 에지에 대응한다.

도 15d는 컴포넌트가 이층(double-layer) 구조를 나타내는, 즉 제1 층(110)이 기판을 형성하고, 그 상부에 유전체 재료의 제2 층(112)이 배치되는, 또 다른 실시예를 예시한다. 공동(111)이 유전체 재료의 층(112)에 형성된다. 제1 층(110)과 제2 층(112)이 동일한 재료로 만들어지는 특정 실시예는 도 15c의 실시예에 대응한다.

도 15e는 도 14의 실시예에서와 같이 디바이스가 3층 구조를 나타내는, 또 다른 실시예에 대응한다. 그러나, 기판(110)과 수퍼스트레이트(113)는 반드시 동일한 재료로 만들어질 필요는 없다.

도 15f는 컴포넌트가 유전체 재료 층에 형성된 2개 이상의 공동의 세트를 포함하는, 또 다른 실시예를 예시한다. 공동들은 규칙적인 어레이로 배열되거나, 생성될 빔(들)에 따라 임의의 수와 임의의 패턴으로 그룹화될 수 있다. 이러한 다수의 공동이 도 15b 내지 도 15e의 단일 층 또는 다층 실시예들 중 임의의 것에 형성될 수 있다.

이러한 실시예는 도 17 내지 도 23과 관련하여 다음에 보다 상세히 설명될 것이다.

도 16은 도 14 및 도 15의 디바이스들의 전형적인 이용 시나리오를 예시한다. 단순화를 위해, 도 16에 예시된 컴포넌트는 도 14의 컴포넌트에 대응한다; 그러나, 그것은 도 15의 실시예들 중 임의의 것에 대응하는 임의의 컴포넌트로 대체될 수도 있음을 이해해야 한다.

방출 요소(130)가 디바이스(132)의 베이스 표면을 향해 평면 전자기파를 방출한다. 방출 요소(130)는 (예를 들어, AR/VR 안경에서와 같이) 시스템의 일부이거나 또는 단지 외부 광원(예를 들어, 사진 카메라의 경우에서와 같이, 대물 렌즈에 의해 시준된 산란 주변 광)의 모델일 수 있다. 예를 들어, 방출 요소(130)는:

- 먼 곳에 위치한 소스로부터 나오는 주변 광;

- 나노젯 컴포넌트(132)(예를 들어 포토다이오드 또는 광섬유)에 직접 부착된 광원에 의해 생성된 광;

- 다른 포커싱 요소(132)에 의해 생성된 광 빔일 수 있다.

그것은 공동(111)으로부터 임의의 거리에 위치할 수 있고 지향성 광 빔 또는 무지향성 광 방출을 생성할 수 있다.

설계 및 제작 방법에 따라, 디바이스(132)의 구조는 도 15와 관련하여 위에 설명된 바와 같이 함께 밀봉된 2개 이상의 층으로 구성될 수 있다. 도 16의 실시예에서, 이러한 디바이스는 밀봉된 기판(110) 및 수퍼스트레이트(113)의 한쪽 또는 양쪽 표면 상에 하나 또는 여러 마이크로 공동(들)(111)을 갖는 3층 구조를 제공한다. 일부 실시예에서, 디바이스(132)의 이러한 구조는 방출 요소(130) 및/또는 수신 요소(131)에 직접 부착될 수 있다. 예를 들어, 그것은 센서 또는 평면-볼록 렌즈 상에 직접 배치된 가요성 컴포넌트의 형태를 취할 수 있다.

공동 또는 공동들(111)은 중공이거나(따라서 공기로 채워짐), 기판(110)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료로 채워진다.

수신 요소(131)는 공동에 의해 생성된 나노젯 빔의 길이에 의존하는 공동으로부터 특정 거리 내에 위치해야 한다. 이 거리는 일반적으로 약 파장의 3배부터 파장의 10배까지 달라질 수 있다. 도 16에서 파선의 원은 수신 요소(131)까지의 최대 거리 R_max를 나타낸다. 그것은 하나보다 많은 공동을 포함하는 특정 공동 배열에 대해서는 더 클 수 있다(도 17 내지 도 23에 관련하여 아래 참조). 공동, 방출 및 수신 요소들의 가능한 상대 위치들은 나노젯 빔(55) 복사 각도 및 들어오는 파의 입사 각도에 의해 정의된다.

수신 요소(131)는:

- 검출기, 예를 들어 카메라의 포토다이오드,

- 타겟, 예를 들어 물 또는 혈액 용액 내의 양자점, 나노 입자 또는 분자{분광학, 현미경 또는 랩-온-칩 디바이스},

- 다른 포커싱, 빔-형성 또는 광-유도(light-guiding) 요소, 예를 들어 렌즈, 격자, 광섬유, AR/VR 안경, 광 통신 등일 수 있다.

본 개시에 따른 컴포넌트(132)는, 입사 평면 파로부터 빔(55)을 생성하기 위해, 또는 입사 비평면 파들 또는 빔들로부터 국소적으로 평면 파들을 생성하기 위해, 이용될 수 있으므로, 수신 요소(131) 및 방출 요소(130)는 반대로 될 수 있다.

이러한 컴포넌트들(132)은 집적 광 센서 및/또는 광-유도 및 광-처리 시스템의 빌딩 블록들은 물론 독립형 포커싱 디바이스(예를 들어, 근거리-필드 프로브)로서 이용될 수 있다. 이들은 광학 범위에서 동작하는 적어도 2배의 서브파장 해상도 및 필드 강도 향상(FIE)으로 근거리-필드 포커싱이 가능하다.

도 17은 포커싱 컴포넌트가 호스트 매체에 임베드된 중공 입방체들의 2×2 어레이에 기초하는, 본 개시의 특정 실시예를 예시한다. 도 17a는 이러한 컴포넌트의 토폴로지를 예시하고, 도 17b는 z-축을 따라 전파되는 단위-진폭 평면 파에 의해 컴포넌트가 조명될 때 시간-평균 전력 분포의 시뮬레이션 결과를 제공한다(n₁=1.49, L_x = L_y = L_z = 2λ₁, S = 0.5λ₁).

도 17a의 컴포넌트는 굴절률 n₁>n₂를 갖는 광학적으로 투명한 호스트 매체(112)에 임베드된 4개의 중공 입방체(n₂ = 1)(140)를 포함한다. 예를 들어, 이는 유리, 플라스틱(예를 들어, PMMA) 또는 폴리머(예를 들어, PDMS(폴리디메틸실록산))일 수 있다.

광학 범위에서 유리 및 플라스틱에 대한 전형적인 값인 굴절률 n₁=1.49를 갖는 균질의 유전체 매체(112)에 임베드된 중공(n₂=1) 입방체들(140)의 2×2 어레이의 축 상에 나노젯 빔이 생성된다. 분석에 따르면, 입사 평면 파의 호스트 매체 굴절률 및 파장에 대한 입방체들의 크기, 형상 및 상대 위치를 최적화하는 것에 의해, 나노젯 빔이 적어도 5배의 FIE 및 ~λ/2n₁의 빔 FWHP(full width at half power)로 생성될 수 있음을 보여준다.

도 18은 중공의 직사각형 입방체들(140)이 평면 파 전파 방향을 따라 배향된 중공 실린더들(141)로 대체되는, 대체 실시예를 예시한다. 도 17에서와 같이, 도 18a는 이러한 컴포넌트의 토폴로지를 예시하고, 도 18b는 z-축을 따라 전파되는 단위-진폭 평면 파에 의해 컴포넌트가 조명될 때 시간- 평균 전력 분포의 시뮬레이션 결과를 제공한다(n₁=1.49, L_z = 2λ₁, R = λ₁, S = 0.5λ₁).

실린더형 형상은 입방체들의 날카로운 수직 에지가 제거됨으로 인해 제조 절차를 용이하게 한다. 특히, 이러한 실린더형 애퍼처는 광학 리소그래피 또는 나노임프린팅 또는 복제 성형과 같은 다른 확립된 평면 미세 제작 기술을 통해 제작될 수 있다.

도 19는 중공 실린더들(141)의 2×2 어레이가 유전체 매체(112) 및 자유 공간의 경계에서, 예를 들어, 유리 또는 플라스틱 플레이트의 표면 상에 생성되는, 또 다른 실시예를 예시한다. 매체 측으로부터의 평면 파에 의해 조명될 때, 이러한 컴포넌트는 플레이트(112)의 표면에 가까운 자유 공간에서 나노젯 빔을 생성한다. 이 실시예는 광학 데이터 저장, 현미경, 분광학, 및 계측학 시스템들에 대한 전형적인 시나리오인 테스트 대상과 포커싱 컴포넌트 사이에 에어 갭을 필요로 하는 응용들에 유리할 수 있다.

도 18에서와 같이, 도 19a는 유전체 매체와 자유 공간의 계면에서 생성된 중공 실린더들의 2×2 어레이에 기초한 이러한 컴포넌트의 토폴로지를 예시하고, 도 19b는 z-축을 따라 전파되는 단위-진폭 평면 파에 의해 컴포넌트가 조명될 때 시간- 평균 전력 분포의 시뮬레이션 결과를 제공한다(n₁=1.49, Lz = 2λ₁, R = λ₁, S = 0.5λ₁).

도 17, 도 18 및 도 19의 3개의 실시예 모두에 의해 생성된 나노젯 빔의 프로파일들이 도 20에 예시되어 있다. 프로파일들은 동일한 호스트 매체에서 전파되는 평면 파의 필드 강도에 대해 정의된 필드 강도 향상(FIE)에 관련하여 플로팅되어 있다. 보다 정확하게는, 도 20a에서는 z-축을 따라 빔 프로파일들을 볼 수 있는 반면, 도 20b 및 도 20c 및 도 20d는 평면 z=z_m에서의 빔 단면도를 도시하고, 여기서 z_m은 도 20a로부터 도출된 최대 필드 강도를 갖는 포인트이다. 관찰될 수 있는 바와 같이, 서브파장 해상도는 3개의 실시예 모두에 대해 잘 보존되는 반면, FIE는 약 5 내지 11 a.u.의 범위에서 달라진다. 유의할 점은, 모든 경우에 있어서, FIE는 동일한 호스트 매체, 즉 유리(도 17 및 도 18의 실시예들) 및 자유 공간(도 19의 실시예)에서 전파되는 단위-진폭 평면 파에 대하여, 본 발명의 실시예들에 따른 포커싱 디바이스가 있는 경우와 없는 경우 주어진 포인트에서의 필드 강도 레벨 사이의 비율로서 정의된다는 점이다.

부가적인 분석에 따르면, z-축을 따른 초점 스폿 위치는 입방체들(실린더들) 사이의 간격과 크기를 다르게 함으로써 특정 범위 내에서 변경될 수 있음을 보여준다. 나노젯 빔 길이와 위치를 변경하는 가능성은 심도 있는 스캐닝이나 촬상을 요구하는 응용들에서 관심의 대상이 될 수 있다.

도 21은 호스트 매체(112)에 임베드된 중공 실린더들(141)의 단일-주기적(도 21a) 및 이중-주기적(도 21b) 어레이들에 기초한 2개의 부가의 예시적인 실시예를 제공한다. 양쪽 모두의 실시예에서, 중공 실린더들은 도 18에 예시된 컴포넌트와 같이 작용하는 2×2 밀접하게 위치된 산란자들의 다수의 규칙적으로 이격된 서브-어레이들을 형성한다. 유의할 점은, 도 21b의 경우에, 각각의 중공 실린더(141)는 동시에 4개의 나노젯의 형성에 기여한다는 점이다.

도 21의 실시예들은 다중-스폿 포커싱 능력으로부터 이익을 얻을 수 있는 시스템들에 대해 관심의 대상이 될 수 있다. 예를 들어, 그것은 카메라 또는 분광학 시스템일 수 있다.

물론, 위에 설명된 실시예들 모두에서, 공동들의 형상은 규칙적인 실린더들 또는 입방체들로 제한되지 않는다. 도 2 내지 도 10과 관련하여 설명된 바와 같이, 본 개시의 발명자들에 의해 강조된 전자기 현상은 원뿔 형상이든, 프리즘이든, 또는 실린더(용어의 넓은 의미에서, 즉, 닫힌 2차원 곡선을 그 곡선의 평면과 교차하는 축을 따라 투영함으로써 생성된 표면)든, 그리고 그의 단면이 어떤 것이든, 임의의 형상의 공동에 대해 발생할 것이다. 더욱이, 공동의 주축은 유전체 재료 또는 기판의 표면에 직각일 수 있거나, 이 표면에 대해 임의의 각도로 기울어질 수 있다.

도 22는 도 21a 및 도 21b의 주기적 구조들에 대한 가능한 구현 실시예를 예시하는 개략 도면이다.

제안된 컴포넌트는, 그의 실시예 모두에서, 예를 들어, 유리 플레이트에 또는 평면-볼록 렌즈와 같은 다른 광학 컴포넌트의 평평한 표면에 직접 부착된 천공된 애퍼처들을 갖는 얇은 필름의 형태로 제작될 수 있다. 도 17, 도 18, 도 19, 및 도 21의 실시예들에서, 그것은 그 후에 광학적으로 투명한 매체의 다른 층(예를 들어, 다른 유리 플레이트)으로 커버될 수 있다.

필름은 PMMA(아크릴)와 같은 광학적으로 투명한 재료로 만들어질 수 있고, 이는 지지 컴포넌트(예를 들어, 유리 플레이트 또는 렌즈)의 표면 상에 직접 퇴적될 것이다. 예를 들어, 이는 원하는 두께(수 백 나노미터 정도)의 얇은 나노 필름의 퇴적을 가능하게 하는 스핀 코팅에 의해 수행될 수 있다.

그 후 광학 또는 전자-빔 리소그래피 기술을 이용하여, 애퍼처들(중공 입방체들로서 역할을 할 것임)이 생성될 수 있다.

주기적 구조는, 잠재적으로는, 표준 광학 리소그래피보다 더 빠르고 저렴한 마스크 없는 간섭 리소그래피를 이용하여 제작될 수 있다.

도 23은 도 21a 및 도 21b의 주기적 구조들에 대한 가능한 대체 구현 실시예를 나타낸다.

이 대체 구현에서, 중공 입방체들은 광학적으로 투명한 재료, 예를 들어 PDMS와 같은 연질 유기 폴리머에 나노임프린팅 또는 복제 성형 방법을 이용하여 제작되고, 그 후 지지체 역할을 하는 유리 플레이트의 표면에 부착될 수 있다.

도 22 및 도 23과 관련하여 설명된 제조 프로세스들은, 확립된 미세 제작 방법을 이용하여, 본 개시에 따른 디바이스의 제작 실현 가능성을 강조하기 위해, 단순한 예로서 제시된다. 그러나, 일부 다른 제조 방법이 존재하거나, 대량 생산에 더 적합할 수도 있다.

근거리-필드 포커싱 및 빔-형성을 위한 새로운 방법 및 컴포넌트들의 세트가 제시되었다.

컴포넌트들은 원뿔형, 프리즘형, 또는 실린더형 공동들의 형태를 갖고, 그의 단면들은 조정 가능한 재분할 및 윤곽을 가진 상이한 개수의 나노젯 빔을 생성하도록 형상화된다.

xy-평면에서의 나노젯 빔들의 형상과 배열 및 z에서의 이들의 확장은 공동 단면의 형상에 의해 정의된다. 보다 일반적으로, 유전체 층의 표면에서의 단순한 단차로 이러한 나노젯 빔들을 생성하기에 충분하다.

빔의 길이는 공동 크기 및 굴절률 비율에 의존한다.

주어진 굴절률 비율에 대하여, 주요 파라미터들(즉, 길이, 폭, 복사의 각도, 및 FIE)은 적어도 ±20%의 파장 범위에서 안정적으로 유지된다.

이러한 컴포넌트들는 종래 기술의 포커싱 디바이스와 비교하여 다수의 이점을 제공하는데, 그 중에는 다음과 같은 것이 있다:

- 평면이거나, 가요성일 수 있고, 우수한 기계적 강성을 제공하는 단순한 토폴로지;

- 이들은 표준 재료에 기초하고, 따라서 광학 유리 또는 플라스틱과 같은 표준 유전체 재료를 이용하여 제작될 수 있다. 고 굴절률 재료에 대한 필요가 없다(종래 기술의 SDC와 달리);

- 단순한 제작: 이들은 레이저 및 전자-빔 리소그래피, 나노임프린팅, 복제 성형 등과 같은 확립된 평면 미세 제작 방법을 이용하여 제조할 수 있다.

- 단순한 통합: 이들은 독립형 컴포넌트들(예를 들어, 근거리-필드 프로브)로서 이용되거나, 또는 다른 광학 컴포넌트들(예를 들어, 평면-볼록 렌즈)에 부착되거나, 또는 집적 포커싱 시스템(예를 들어, 카메라 센서들)의 빌딩 블록들로서 이용될 수 있다;

- ~λ/2n₁의 서브파장 해상도(즉, 호스트 매체에서의 파장의 1/2) 및 2 내지 적어도 11배의 FIE를 갖는, 우수한 성능 특성.

유의해야 할 점은, 본 개시의 일 실시예에서, 본 기법은 비복사(반응성) 구역에 제한되지 않고, 프레넬 복사, 전이, 및 부분적으로 원거리-필드 구역을 포함할 수도 있다는 점이다.

Claims (19)

1. 디바이스에 입사되고 전파되는 전자기파들로부터, 근거리 구역에서 필드 강도 분포를 형성하기 위한 디바이스로서,
   상기 디바이스는:
   제1 굴절률 n₁을 갖는 유전체 재료의 단일 층 - 상기 유전체 재료의 단일 층의 표면은 상기 유전체 재료의 단일 층 내에서만 아래로 연장되는 단차(step)를 형성하는 레벨의 적어도 하나의 급격한 변화를 포함하고, 상기 단차의 높이 H는 상기 H가 제1 파장의 1/2보다 크게 되는 것을 목표로 하고, 상기 제1 파장은 상기 유전체 재료의 단일 층에서의 상기 전자기파들의 파장임 -; 및
   상기 제1 굴절률 n₁보다 낮은 제2 굴절률 n₂를 갖는 요소 - 상기 요소는 상기 단차와 접촉하고, 상기 단차는 상기 전자기파들의 전파 방향에 비해 기울어진 빔을 생성하도록 구성됨 - 를 포함하는, 디바이스.
2. 제1항에 있어서, 상기 기울어진 빔은 제1 파장의 1/2부터 상기 제1 파장의 정수배까지 달라질 수 있는 길이를 갖고, 상기 제1 파장은 상기 유전체 재료에서의 상기 전자기파들의 파장인, 디바이스.
3. 제1항에 있어서, 상기 디바이스는 상기 기울어진 빔의 전파 방향을 따라 위치된 수신 요소를 포함하는, 디바이스.
4. 제3항에 있어서, 상기 수신 요소는 상기 기울어진 빔의 핫 스폿에 위치되는, 디바이스.
5. 제3항에 있어서, 상기 수신 요소는 상기 단차로부터 거리 d에 위치되고, 상기 d는 제1 파장과 상기 제1 파장의 10배 사이이고, 상기 제1 파장은 상기 유전체 재료에서의 상기 전자기파들의 파장인, 디바이스.
6. 제1항에 있어서, 상기 기울어진 빔은 상기 제1 굴절률 n₁, 상기 제2 굴절률 n₂, 상기 단차에 비해 상기 입사되는 전자기파들의 입사 각도들 및 단차 베이스 각도 중 하나 이상의 함수인 복사의 각도와 연관되는, 디바이스.
7. 제6항에 있어서, 상기 복사의 각도는 (90°-asin(n₂/n₁))/2와 동등한 값인, 디바이스.
8. 제7항에 있어서, 상기 복사의 각도는 n₁ = 1.49 및 n₂ = 1일 때 23°이고, n₁ = 2 및 n₂ = 1일 때 30°인, 디바이스.
9. 제1항에 있어서, 상기 디바이스는 단색 전자기파들인 상기 입사되는 전자기파들로부터 빔들을 형성하는 데 적합하고, 상기 단색 전자기파들 각각은 480nm 또는 525nm 또는 650nm인 값과 동등한 파장을 갖는, 디바이스.
10. 제1항에 있어서, 상기 단차는 상기 유전체 재료의 단일 층에 만들어진 적어도 하나의 공동(cavity)의 에지에 의해 형성되는, 디바이스.
11. 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 공동은 상기 유전체 재료의 단일 층 내의 스루-홀(through-hole)인, 디바이스.
12. 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 공동은 적어도 2개의 공동의 적어도 하나의 세트에 속하는, 디바이스.
13. 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 공동은 실린더형 또는 원뿔 형상이 되는 것을 목표로 하는, 디바이스.
14. 삭제
15. 제1항에 있어서, 상기 디바이스는 상기 유전체 재료의 단일 층과 접하는 기판을 형성하는 적어도 하나의 층을 더 포함하는, 디바이스.
16. 제15항에 있어서, 상기 디바이스는 수퍼스트레이트를 형성하는 적어도 하나의 층을 더 포함하고, 상기 유전체 재료의 단일 층은 상기 기판과 상기 수퍼스트레이트 사이에 위치하는, 디바이스.
17. 제16항에 있어서, 상기 기판 및 상기 수퍼스트레이트는 상기 유전체 재료의 단일 층과 동일한 유전체 재료로 만들어지는, 디바이스.
18. 제1항 내지 제13항 및 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유전체 재료는 유리, 플라스틱 및 폴리머 재료로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 디바이스.
19. 제16항에 있어서, 상기 수퍼스트레이트의 재료는 유리, 플라스틱, 액체 및 폴리머 재료로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 디바이스.

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