用于控制光学波阵面的相位的器件制造技术

根据一个方面,本发明专利技术涉及一种用于控制具有给使用光谱带中的波长的入射光学波阵面的相位的器件(20、50),该器件包括在所述光谱带中至少部分透明的基板(21)，以及被布置为与所述基板的表面基本垂直的片组(22i、23i、24i)，其特征在于：所述片组包括交替的并列片，所述并列片分别由金属材料(22i)、由第一电介质材料(23i)以及至少一种不同于所述第一电介质材料的第二电介质材料(24i)制成，以便形成亚波长宽度(wi)的并列的金属/多电介质/金属(MmultiDM)结构(Si)，每个结构形成具有一种或多种传播模式的腔体；-在每个所述MmultiDM结构中调整由第一电介质材料制成的片和由多种第二电介质材料制成的片各自的厚度，以引起所述波阵面的相位的局部偏移(ΔΦi)，所述局部相位偏移取决于能够在所述腔体中传播的所述一种模式或多种模式的有效指数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于控制光学波阵面的相位的器件
本专利技术涉及一种用于控制光学波阵面的相位的器件以及用于生产这样器件的方法。
技术介绍
光学系统小型化到亚波长量级——对于通常位于400nm和100μm之间的波长而言——以便生成技术上可行的并且提供直接工业应用的特定光学函数，如今已经变成了工业趋势。值得注意的是它允许光学系统的更好集成、更大的坚固性、以及光学器件和电子器件之间的直接耦合的可能性。P.Lalanne等人的论文(“Designandfabricationofblazedbinarydiffractiveelementswithsamplingperiodssmallerthanthestructuralcutoff”,JOSAA,16卷,编号5,1999)提出了使用电介质材料的层状蚀刻来制造透镜和棱镜的第一个技术。区域的光学指数在由所使用的电介质的指数施加的最大值和最小值(空气的指数)之间变化。电介质材料的量和空气的量之间的比率定义了区域的光学指数。专利申请US2009/0020690提出了类似的器件。这样的技术使得可以在使用受控的技术方法时生成强指数调制。然而，就引起达到波长量级的平均有效指数的构造操作而言，不能通过简单地将电介质材料构造到纳米量级来获得达到亚波长量级的光学波阵面的相位调制。最后这一点构成了对于达到亚波长量级的波阵面的相位控制的主要物理限制。在H.Shi等人的论文(“Beammanipulatingbymetallicnano-slitswithvariantwidths”,OpticsExpress,13卷,编号18,2005)中或者在专利申请WO2011/100070中描述的另一技术，考虑到达到小于波长的量级的波阵面的相位调制。根据该技术，片状的厚金属层的纳米构造允许入射光波阵面的调制。更具体地说，所获得的每个狭缝表现得像独立于其他狭缝的波导，在该波导中，耦合等离子体模式被传播。已经证实(参见例如S.Collin等人，“waveguidinginnanoscalemetallicapertures”,OpticsExpress,15卷,编号7,2007)，通过在正式生产的波导中传播的模式看到的有效指数neff取决于根据下述函数的狭缝的宽度w，该函数在特定条件下可以用以下方程(1)近似计算：neff＝n(1+δ/w)(1)其中，n是填充狭缝的电介质材料的指数，以及δ表示金属的光学外皮厚度。因此图1表示对于厚度h为1μm的层、对于650nm的波长的、作为狭缝的宽度的函数的、有效指数的趋势。在这个例子中，狭缝被填充空气，壁由金制成，光学外皮厚度约为25nm。图1通过所描述的技术揭示了下述可能性，即，对于12.5nm(δ/2)至250nm(10δ)的引导宽度值w，覆盖范围为n至三倍的n的有效指数带，因此通过选择狭缝的宽度w来允许狭缝之间的强相位变化。然而，大指数调制(Δn>0.5)仅仅对于小于金属中的皮肤厚度的两倍的狭缝宽度(w<2δ)(也就是说，典型地，对于光学波长和红外(IR)波长的50nm)是可能的，这构成了很大的技术约束。此外，图1示出了有效指数对于狭缝的宽度的变化、因此对于制造不准确性的非常强的敏感性。在诸如5nm≤w≤40nm的宽度范围内，狭缝的1nm的变化导致有效指数上的Δneff/neff≥0.13的误差。本专利技术旨在提出一种用于将波阵面的相位控制到亚波长量级的器件，该器件的随着该器件的结构变化而变化的敏感性低。
技术实现思路
根据第一方面，本专利技术涉及一种用于控制具有在给定的使用光谱带中的波长的入射光学波阵面的相位的器件，包括在所述光谱带中至少部分透明的基板、以及被布置为与基板的表面基本上成直角的片组，其中：-所述片组包括交替的并列片，所述并列片分别由金属材料、第一电介质材料以及至少一种不同于第一电介质材料的第二电介质材料制成，以便形成亚波长宽度的并列金属-多电介质-金属(MmultiDM)结构，每个结构形成表现出一种或多种传播模式的腔体；-在每个所述MmultiDM结构中调整由第一电介质材料制成的片和由多种第二电介质材料制成的片各自的厚度以引起波阵面的相位的局部偏移，所引起的相位偏移取决于能够在所述腔体中传播的一种模式或多种模式的有效指数。申请人已经证实，这样的器件显著地提供了优于在现有技术中描述的相位控制器件能够与较大宽度(典型地，大于金属材料的光学外皮厚度的10倍)的结构一起工作的优点，从而使得可以在保持将波阵面的相位控制到亚波长量级的同时放宽技术约束。而且，可以获得对于结构缺陷(尤其是对于片厚度或腔体宽度的变化)的、敏感性减小了的局部相位偏移值。因此调整由电介质材料制成的片各自的厚度以局部地获得相位偏移，该相位偏移基于寻求生成给定的使用光谱带中的光学分量的光学函数而计算，所述光学函数能够在器件的多个MMultiDM结构上被采样。根据变体，多个MMultiDM结构的宽度被选为基本上相等，只有由电介质材料制成的片各自的厚度在结构之间变化以控制局部相位偏移。这使得对于等同结果来说，可以与宽度相同并且与金属的光学外皮厚度相比足够大的腔体宽度一起工作，从而便利于所述器件的制造。有利地，对于所述器件在红外中的操作，每个MMultiDM结构的宽度被选为大于或等于金属材料的光学外皮厚度的10倍。根据变体，另外，MMultiDM结构的宽度还被选为小于或等于λmin/2nH，其中，λmin是使用光谱带的最小波长，以及nH是最高指数的电介质材料的折光指数。对于MMultiDM结构，这个宽度选择使得可以生成单模腔体，申请人已经证实，通过良好地抑制纵模，它们表现出非常好的透射效率。有利地，两种不同类型的电介质材料将被选择以形成所述结构，因此每个结构包括由第一电介质材料制成的第一片以及由不同于第一电介质材料的第二电介质材料制成的第二片以形成金属-电介质-电介质-金属(MDDM)结构。申请人已经证实，MDDM结构代表了所寻求的结果和技术约束之间的优良权衡。有利地，所述片具有基本上相同的给定高度。片的高度决定了可以施加于入射波阵面的相位的局部相位偏移的最大值。有利地，高度h被选为获得足以产生任何光学函数的最大局部相位偏移值2π，并且使得可以保持片的最小高度，从而形成具有低纵横比(高宽比)的腔体。根据变体，片为基本直线围成，并且MmultiDM结构布置在一个主方向上。例如，该构造使得可以生成光学棱镜类型、柱形光学透镜类型、以及一般地，对称透镜类型或任何一维光学函数的光学分量。这些分量对于偏振将是敏感的，并且还将能够使得可以形成偏振划分器件。根据另一变体，片也是基本直线围成，但是MmultiDM结构布置在至少两个主方向上，有利地，该两个主方向基本上成直角。该构造使得可以如前面那样生成柱形光学透镜或光学棱镜类型的光学函数。所述器件将能够以所生成的光学函数的分布在两个方向上相同的这样的方式进行设计，使得可以致使所述器件对偏振不敏感。可替代地，两个方向上的不同分布将使得可以根据偏振产生特定性质。因此可以设计用于随机地划分偏振的入射波的TE分量和TM分量的器件，例如具有用于偏振的TE分量的第一焦距以及用于偏振的TM分量的不同于第一焦距的第二焦距的透镜。根据另一变体，片是曲线围成的，MmultiDM本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制具有在给定的使用光谱带中的波长的入射光学波阵面的相位的器件(20、50)，包括在所述光谱带中至少部分透明的基板(21)、以及被布置为与所述基板的表面基本上成直角的片组(22i、23i、24i)，其特征在于：‑所述片组包括交替的并列片，所述并列片分别由金属材料(22i)、第一电介质材料(23i)以及至少一种不同于所述第一电介质材料的第二电介质材料(24i)制成，以便形成亚波长宽度(wi)的并列金属‑多电介质‑金属(MmultiDM)结构(Si)，每个结构形成表现出一种或多种传播模式的腔体；‑在每个所述MmultiDM结构中调整由第一电介质材料制成的片和由多种第二电介质材料制成的片各自的厚度以引起所述波阵面的相位的局部偏移(ΔΦi)，所述局部相位偏移取决于能够在所述腔体中传播的所述一种模式或多种模式的有效指数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.11.30 FR 12614911.一种用于控制具有在给定的使用光谱带中的波长的入射光学波阵面的相位的器件(20、50)，包括在所述光谱带中至少部分透明的基板(21)、以及被布置为与所述基板的表面基本上成直角的片组(22i、23i、24i)，其特征在于：-所述片组包括交替的并列片，所述并列片分别由金属材料(22i)、第一电介质材料(23i)以及至少一种不同于所述第一电介质材料的第二电介质材料(24i)制成，以便形成亚波长宽度(wi)的并列金属-多电介质-金属(MmultiDM)结构(Si)，每个结构形成表现出一种或多种传播模式的腔体；-在每个所述金属-多电介质-金属结构中调整由第一电介质材料制成的片和由多种第二电介质材料制成的片各自的厚度以引起所述波阵面的相位的局部偏移(ΔΦi)，所述局部相位偏移取决于能够在所述腔体中传播的所述一种模式或多种模式的有效指数。2.根据权利要求1所述的器件，其中，每个结构包括由第一电介质材料制成的第一片以及由不同于所述第一电介质材料的第二电介质材料制成的第二片，形成金属-电介质-电介质-金属(MDDM)结构。3.根据权利要求1或2所述的器件，其中，所述金属-多电介质-金属结构(Si)的宽度(wi)基本相等。4.根据权利要求1或2所述的器件，适合于用在红外中，其中，每个金属-多电介质-金属结构(Si)的宽度大于所述金属材料的光学外皮厚度的10倍。5.根据权利要求1或2所述的器件，其中，每个金属-多电介质-金属结构(Si)的宽度小于λmin/2nH，其中，λmin是所述光谱带的最小波长，以及nH是最高指数的电介质材料的折光指数。6.根据权利要求1或2所述的器件，其中，所述片具有给定高度(h)，所述高度被确定以使得所述局部相位偏移的最大值为2π。7.根据权利要求1或2所述的器件，其中，所述基板(21)由电介质材料制成，形成所述基板的电介质材料与前述电介质材料之一相同。8.根据权利要求1或2所述的器件，其中，所述电介质材料之一是空气。9.根据前面的权利要求1或2所述的器件，...

【专利技术属性】
技术研发人员：昆汀·勒文斯克，帕特里克·布雄，海德尔·里亚德，法布里斯·帕多，
申请(专利权)人：法国宇航院，
类型：发明
国别省市：法国;FR