用于从入射电磁波形成近区中的场强图案的设备制造技术

本公开涉及一种用于从入射在设备上的电磁波形成近区中的场强图案的设备(132)。尤其是，这样的设备允许将入射在设备上的电磁波局限在近区中的辐射波束中。它包括至少一个介电材料的层(112)，其表面具有形成台阶的至少一个水平突然改变。所述表面相对于所述台阶的下方和侧向部分与具有比所述介电材料的折射指数更低的折射指数的物质接触。对于在这样的台阶附近冲击在设备上的入射电磁波，其遇到的指数的对应台阶产生复杂的电磁现象，这允许生成近区中的低色散会聚波束(55)和特定场图案。

Equipment for generating near-field intensity patterns from incident electromagnetic waves

The present disclosure relates to a device (132) for forming a field intensity pattern in a near region from an electromagnetic wave incident on the device. In particular, such a device allows electromagnetic waves incident on the device to be confined to radiation beams in the near region. It consists of at least one layer of dielectric material (112) on which at least one level of a step is suddenly changed. The surface is in contact with a material having a refractive index lower than that of the dielectric material relative to the lower and lateral parts of the step. For the incident electromagnetic wave impacting on the equipment near such a step, the exponential corresponding step produces complex electromagnetic phenomena, which permits the generation of low dispersion convergent beams (55) and specific field patterns in the near zone.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于从入射电磁波形成近区中的场强图案的设备
本公开一般地涉及用于从电磁波(可见光在其中)形成场强图案的技术。更具体地但非排他地，本公开涉及用于近区中的近场聚焦和波束形成的技术。就近区而言，其在这里并且贯穿本文档意指根据本公开的设备周围的区域，该区域的尺寸可以从主体介质中的一小部分波长延伸到约十个波长。
技术介绍
电磁波的聚焦和准直(即波束形成(其当然也可以是散焦))是局部增加电场数量级的既定方式，并且以这样的方式提高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的传感器(例如电光传感器)的效率。后来的传感器(例如CMOS成像传感器或光电二极管)处于几乎每个便携式电子设备(从智能电话和平板到专业光场相机)的核心。在不同波长范围内的各种其他应用中使用相同的局部场增强现象。在光学领域中，当今技术水平使得能够加工有具有纳米级尺寸的结构元件的高度集成组件(例如芯片和光学传感器)，该纳米级尺寸接近或者甚至小于可见光的波长。以相同精度水平操纵光的可能性与现有技术相比将是巨大突破。然而，传统聚焦设备(诸如电介质和金属-电介质透镜)的空间分辨率受限于阿贝衍射极限，并且典型地不超过主体介质中的一个波长。同时，有许多应用需要亚波长分辨率或者可以从亚波长分辨率中受益，如A.Heifetez等人在“Photonicnanojets”，J.Comput.Theo.Nanosci.，第6卷，第1979-1992页，2009中解释的那样。这解释了对实现亚波长分辨率的聚焦组件的增长的兴趣。与当今移动和可穿戴技术相关联的另一关键挑战包括对关联设备的进一步小型化的需求。传统透镜的操作原理阻止其尺寸减小超过某个极限(～10个波长)，这构成了该领域未来发展的瓶颈。特别地，这样的约束可能关系到光检测器的封装密度，并且因此可能妨碍图像分辨率的进一步改善。最后，传统透镜的操作原理需要透镜与主体介质材料之间的某个折射指数比率。指数比率越高，可以实现的透镜聚焦能力越高。因此，在大多数情况下，透镜被气隙分离，这需要额外的空间并且导致空间和对准中的透镜固定的某些困难。完全集成系统可以帮助避免这些问题。然而，由于技术困难和光学透明材料的有限范围的折射指数变化(光学范围内的典型指数值为n<2)，所以具有不同折射指数的若干介电材料的组合相当困难并且并不总是可行。因此，存在对新的聚焦组件的需求，其将克服这些缺点。然而，目前，最流行的聚焦元件仍然是很久以前推出的凸介电透镜，如图1A中所示。如果透镜具有足够的孔径(aperture)大小并且其轮廓(profile)形状相对于透镜材料和主体介质的折射指数被适当定义，则这样的透镜可以有效地将光聚焦在位于距透镜表面某个距离FL的紧焦斑FS中。折射介电透镜的操作原理基于斯涅尔定律，该定律预测由于两种介质中的不同相速度所导致的光射线在透镜的空气-电介质边界处的倾斜(折射)。为了实现所需聚焦功能，透镜必须具有主体介质中的至少几个波长的孔径大小，其具有从微透镜情况下的几微米变化到相机物镜情况下的若干厘米的典型物理大小。它们的分辨率受限于阿贝衍射极限，并且典型地大于主体介质中的一个波长。还存在菲涅尔型衍射透镜，其操作原理依赖于通过多个同心环衍射的波的干涉，如由图1B图示的那样。如果与图1A的折射透镜相比，则这样的透镜具有较小厚度，然而，它们通常遭受强色差。它们的分辨率受限于衍射极限，像折射透镜一样。如上面已经提到的那样，远场聚焦系统(例如折射和衍射透镜)的空间分辨率受限于通过～λ/2nsinα设置的阿贝衍射极限，其中λ是真空波长，n是主体介质折射指数，以及a是透镜的半孔径角(就远场聚焦系统而言，其在这里意指在大于几个波长的距离处、即在远区中创建焦斑FS的系统)。因此，可以通过增加透镜孔径大小或者通过减小聚焦距离FL来实现更高的分辨率。后者解释了对创建近区中的焦斑FS的近场聚焦系统的增长的兴趣。跨不同领域的越来越多的应用也强烈支持这种兴趣，该应用需要具有最高可能分辨率的近场光处理，诸如例如在显微镜、光谱学或计量学中。目前，基于亚波长孔径探针(L.Novotny等人，“Near-fieldopticalmicroscopyandspectroscopywithpointedprobes”，Annu.Rev.Phys.Chem.第57卷，第303-331页，2006)、平面亚波长图案化结构(美国专利文献8,003,965)和光子纳米喷射微球介电透镜，存在若干近场聚焦技术可用。如例如在专利文献US7,394,535中描述并且在图1C中图示的那样，后者的解决方案(即纳米喷射微球)通常称为最有效的解决方案，因为微球可以同时提供亚波长分辨率和高水平的场强增强(FIE)。如图1C上所示，它们允许生成纳米喷射波束NB。该光子纳米喷射是在介电微球的阴影侧表面处引起的光强图案。专利文献US2013/0308127还描述了纳米喷射设备，其允许通过使用微球将冲击辐射局限在光子纳米喷射中来增强来自样品的拉曼发射，并且从而增加击打样品的辐射强度。可以通过配置微球的直径和折射指数连同辐射的散度(dispersion)和波长以增加光子纳米喷射中的辐射波束的强度，来改善增强的量。尽管它们有吸引人的性能特性，但是微球的使用与某些困难相关联，这些困难与微球的以下方面相关：(i)精确定位，(ii)与其他光学组件的集成，以及(iii)与既定平面制造技术的不兼容性。这些困难影响可行性并增加基于纳米喷射的设备的制造和组装成本。可能地，可以使用纳米级图案化结构或中空管来解决组装问题，但是这些解决方案可能与一些应用不兼容。最近基于固体介电立方体(SDC)提出了纳米喷射微球透镜的替选解决方案。如V.Pacheco-Pena等人在“Terajetsproducedbydielectriccuboids”AppliedPhys.Lett.第105卷，084102，2014中证实并且由图1D图示的那样，当被平面波照射时，SDC透镜也可以产生会聚波束TB，类似于针对微球观察到的纳米喷射波束，如果立方体的大小和形状相对于入射波长和立方体材料的折射指数被适当调整，则具有亚波长尺寸。对于具有主体介质中的约一个波长的尺寸和折射指数比率n2/n1～1.5(其中n1和n2分别是主体介质和立方体材料的折射指数)的SDC，实现最佳的空间分辨率(～λ/2，其中λ是主体介质中的波长)和场强增强(～10的因子)。虽然SDC透镜的矩形形状对于一些平面制造方法(例如微机械加工或光刻)可以是有利的，但是由于以下约束，在光学范围内操作的SDC透镜的制造可能是困难的或者甚至是不可能的：-对立方体大小和形状强加的严格要求，-缺少具有超过标准光学材料的范围的所需折射指数的材料(在光学范围内，可以用作主体介质的普通光学玻璃和塑料的折射指数从n1≈1.3变化直到2.0，而根据V.Pacheco-Pena等人，立方体透镜折射指数的所需值应为n2～2.25(建议比率n1/n2＝1.5，其中对于标准玻璃n1≈1.5)。-没有提供针对设置这样的透镜在空间中的位置而提供的解决方案。最后，值得提到还有一个在光学范围内可用的近场增强的替选解决方案。该解决方案基于称为表面等离极化激元(SPP)的现本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于从传播的电磁波形成近区中的场强分布的设备(132)，所述电磁波入射在所述设备上，其中所述设备包括：至少一个介电材料的层(112)，具有第一折射指数n1与具有形成台阶的至少一个水平突然改变的表面；具有低于所述第一折射指数(n1)的第二折射指数n2的元件，其与所述台阶接触；以及其中所述台阶生成与所述电磁波的传播方向相比倾斜的波束。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.24 EP 16305343.21.一种用于从传播的电磁波形成近区中的场强分布的设备(132)，所述电磁波入射在所述设备上，其中所述设备包括：至少一个介电材料的层(112)，具有第一折射指数n1与具有形成台阶的至少一个水平突然改变的表面；具有低于所述第一折射指数(n1)的第二折射指数n2的元件，其与所述台阶接触；以及其中所述台阶生成与所述电磁波的传播方向相比倾斜的波束。2.如权利要求1所述的设备，其中所述倾斜波束具有能够从变化到几个波长的长度，其中λ1为所述电磁波在所述介电材料中的波长。3.如权利要求1至2中任一项所述的设备，其中所述设备包括沿所述倾斜波束的传播方向定位的接收元件(131)。4.如权利要求3所述的设备，其中所述接收元件(131)定位在所述波束的热斑点处。5.如权利要求3至4中任一项所述的设备，其中所述接收元件(131)定位在距所述台阶距离d处，其中d在一个λ1至10λ1之间，其中λ1为所述电磁波在所述介电材料中的波长。6.如权利要求1至5中任一项所述的设备，其中所述倾斜波束与辐射角相关联，所述辐射角被定义为所述第一折射指数n1和/或所述第二折射指数n2、和/或入射的所述电磁波与所述台阶相比的入射角、和/或台阶底角的函数。7.如权利要求6所述的设备，其中所述辐射角约为等于(90°-asin(n2/n1))/2的值。8.如权利要求7所述的设备，其中当n1＝1.49且n2＝1时，所述辐射角约为23°，并且当n...

【专利技术属性】
技术研发人员：L布隆德，A波里斯金，
申请(专利权)人：汤姆逊许可公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR