用于在被入射电磁波照射时辐射至少一个出射电磁波的设备

摘要

提出了一种设备(200)，其包括具有第一折射率n1的第一材料的第一部分(101)和具有比n1高的第二折射率n2的第二材料的第二部分(102)。这种设备进一步包括在第一部分和第二部分之间的至少一个接触区域(110)，当设备被入射电磁波(100i)照射时，辐射出射电磁波(100o)。所述至少一个接触区域沿入射电磁波的传播方向的投影具有小于临界高度的1.2倍的非零高度，所述临界高度等于入射电磁波的真空波长除以第二折射率n2和第一折射率n1之间的差值。

说明书

1.技术领域

本公开总体上涉及用于形成电磁(EM)波图案的技术，其中涉及可见光图案。

更具体地说，本公开涉及用于在近场区和远场区两者中进行波束形成的技术。

本公开在需要波束形成的任何领域中可以是感兴趣的，例如在使用聚焦设备的密集和光子系统中，像在作为当今和将来移动技术(例如，智能手机、平板电脑、增强现实(AR)和虚拟现实(VR)眼镜)的基本部件的照片/视频相机中、或者在集成透镜天线系统、光通信系统(包括量子计算机、显微镜、光谱学和计量系统)等中使用的集成光学传感器。

2.背景技术

在该文献中，我们更具体地详述了本专利申请的发明人所面对的光学器件领域中存在的问题。当然，本发明不限于这种特定的应用领域，并且在需要形成EM波图案的任何领域都是有意义的。

光学聚焦、波束和场形成对于被称为AR和VR眼镜的新兴技术具有很大的兴趣，所述AR和VR眼镜例如由谷歌、Magic Leap、微软等生产的那些。这里，各种类型的折射和衍射透镜以及波束形成器件被用于将来自微显示器或投影仪的光引导向人眼，形成虚像。在AR眼镜的情况下，该虚像与用肉眼看到的物理世界的图像叠加。

其中，在具有已知偏移角和扩展角的单瓣的优选结构中，允许以仿效的波束形状和EM场结构的形式形成EM波图案的器件是感兴趣的。这种受控波束的可用性确实消除了由于多个副瓣或者由于波束的非最佳(例如更大)扩展角造成的寄生贡献。它将不同边缘部分的成分清洗成场形成微结构形状或脊。

当今的技术水平使得能够制造具有接近或甚至小于可见光波长的纳米级尺寸的结构元件的高度集成的部件(例如，芯片和光学传感器)。与现有技术相比，以相同的精度水平操纵光的可能性将成为重大突破。

因此，需要一种新的聚焦设备，其允许形成EM波图案，例如以包括已知偏移角和扩展角的单瓣的受控波束形状。

需要具有这种新的聚焦设备，其可以适用于可见光应用，优选使用具有纳米级尺寸的结构。

3.发明内容

本公开的特定方面涉及一种设备，包括：

-第一部分，具有第一折射率n1的第一材料；

-第二部分，具有高于n1的第二折射率n2的第二材料，

-在所述第一部分和所述第二部分之间的单个接触区域，当所述设备被入射电磁波照射时，所述单个接触区域辐射出射电磁波。

所述单个接触区域沿着入射电磁波的传播方向的投影具有小于临界高度的1.2倍的非零高度，所述临界高度等于入射电磁波的真空波长除以第二折射率n 2和第一折射率n1之间的差值。

因此，本公开提出了一种用于形成电磁波图案的新的和创造性的解决方案。

更具体地，当所要求保护的设备被入射电磁波照射时，在接触区域的水平处产生出射电磁波(或射流波)，并且出射电磁波从较低折射率的材料(即第一材料)朝向较高折射率的材料(即第二材料)传播。此外，具有比临界高度大不到20％的接触区域的投影高度，则出射电磁波包括单个波瓣，使得所述设备表现为产生所讨论的射流波的点源。

根据一个实施例，所述入射电磁波的传播方向与所述单个接触区域的延伸方向之间的入射角位于-20度和+20度之间，优选地在-10度和+10度之间，更优选地在-5度和+5度之间。

根据一个实施例，入射电磁波的真空波长属于可见光谱。

因此，可获得用于形成可见光波图案的具有纳米级尺寸的设备。

根据一个实施例，第一材料和第二材料中的至少一个属于包括以下各项的组：

-玻璃；

-塑料；

-液体；以及

-聚合物材料。

根据一个实施例，第二部分形成至少一容器，第一材料是填充容器的至少一部分的流体，相应地，第一部分形成至少一容器，第二材料是填充容器的至少一部分的流体。

因此，当要求保护的设备被入射电磁波照射时，在接触区域的水平处从第一材料朝向第二材料产生的出射电磁波的特性(扩展角、射束方向等)取决于流体的折射率。这允许基于对出射电磁波的特性的测量来估计所讨论的折射率。

根据一个实施例，单个接触区域的高度明显等于临界高度。

因此，出射电磁波具有最高强度，单瓣具有最小扩展角。

本公开的另一方面涉及第一系统，其包括根据本公开的设备(在其任何实施例中)和被配置用于产生入射电磁波的电磁源。

本公开的另一方面涉及第二系统，其包括：根据本公开的设备(在其任何实施例中)或第一系统(在其任何实施例中)，其中第二部分形成至少一容器，第一材料是填充容器的至少一部分的流体，相应地，第一部分形成至少一容器，第二材料是填充容器的至少一部分的流体；以及光电二极管，其被配置用于当设备被入射电磁波照射时捕获由单个接触区域辐射的出射电磁波的至少一部分。

因此，可以基于对在要求保护的设备被入射电磁波照射时产生的出射电磁波的特性的测量来估计流体的折射率。

本公开的另一方面涉及根据本公开的设备(在其任何实施例中)或第一系统(在其任何实施例中)的用途：用于当设备由入射电磁波照射时，使出射电磁波由单个接触区域辐射。

根据一个实施例，入射电磁波与由单个接触区域辐射的出射电磁波干涉，以产生相应的纳米射束热斑。

本公开的另一方面涉及根据本公开的设备(在其任何实施例中)或第一系统(在其任何实施例中)的用途：用于当设备被入射电磁波照射时，捕获或移动由单个接触区域辐射的出射电磁波中的纳米粒子。

本公开的另一方面涉及以下用途：

-根据本公开的设备(在其任何实施例中)的，或第一系统(在其任何实施例中)的，其中第二部分形成至少一容器，第一材料是填充容器的至少一部分的流体，相应地，第一部分形成至少一容器，第二材料是填充容器的至少一部分的流体；或

-第二系统包括：根据本公开(在其任何实施例中)的设备，其中第二部分形成至少一容器，第一材料是填充容器的至少一部分的流体，相应地，第一部分形成至少一容器，第二材料是填充容器的至少一部分的流体；以及光电二极管，其被配置用于捕获当设备被入射电磁波照射时由单个接触区域辐射的出射电磁波的至少一部分，以用于测量流体的折射率n1或n2。

4.附图说明

实施例的其它特征和优点将从以下描述和附图中显现，以下描述通过指示性和非穷举性示例的方式给出，附图中：

-图la和lb示出了当接触区域被入射EM波照射时，由具有第一折射率n1的第一材料的第一部分与具有高于n1的第二折射率n2的第二材料的第二部分之间的一个接触区域辐射的出射EM波的一些特性；

-图2示出了根据本发明的一个实施例的用于在被入射EM波照射时辐射出射EM波的设备；

-图3a到3c示出了当高度h分别等于临界高度hc除以4、等于hc、以及等于hc的3倍时，在照射图la的接触区域的入射EM波和相应的辐射的出射EM波之间的干扰的功率分布；

-图4a至4c示出了当高度h分别等于临界高度hc除以4、等于hc、以及等于hc的3倍时，由图la的接触区域辐射的出射EM波在纳米粒子上诱导的力；

-图5a至5c示出了当高度h分别等于临界高度hc除以4、等于hc、以及等于hc的3倍时，由图la的接触区域辐射的出射EM波中的纳米粒子的结果轨迹；

-图6a和6b分别示出了根据本发明的一个实施例的用于将入射EM波朝向焦点聚焦的设备以及所讨论的焦点的一些特性；

-图7示出了根据本发明的一个实施例的包括光电二极管和用于测量流体折射率的设备的系统。

5.具体实施方式

在本文的所有附图中，相同的附图标记表示相似的元件和步骤。

现在结合图la和lb描述当接触区域110被电磁源100s辐射的入射EM波100i照射时，由具有第一折射率n1的第一材料(例如玻璃、塑料、液体、聚合物材料等)的第一部分101和具有比n1高的第二折射率n2的第二材料(例如玻璃、塑料、液体、聚合物材料等)的第二部分102之间的一个接触区域110辐射的出射EM波100o(或射束波)的特性。出射EM波100o从具有低折射率n1的第一部分101向具有高折射率n2的第二部分102辐射。

更具体地，接触区域110沿着入射EM波100i的传播方向(即，沿着如图la所示的Oz轴)延伸，并且沿着该方向具有非零高度h。由于在第一部分101和第二部分102之间的界面处的复杂的EM现象(涉及例如衍射和折射)，由接触区域110辐射的出射EM波100o具有特定的特性。

例如，根据接触区域110的高度h，出射EM波100o呈现不同数目N的波瓣。

N对高度h的这种依赖性的解释来自于对以下不同周期性变化的观察：

-由入射EM波100i在具有低折射率n1的第一材料中诱导的第一EM波；以及

-在具有高折射率n2的第二材料中诱导的第二EM波。

实际上，可以将由接触区域110辐射的出射EM波100o看作与第一EM波和第二EM波之间的差相关，其中第一EM波和第二EM波每一者都沿着Oz轴(即，沿着入射EM波的传播方向)传播。结果，沿着接触区域延伸的出射EM波100o的幅度由以下函数加权：

其可以根据下式被重写为正弦函数的乘积：

其中λ是入射EM波100i的真空等效波长。

在所述等式中涉及的各种项绘制在图1b中；即：

-曲线120是D

-曲线121是

-曲线122是

D

beat3(z)的低频差拍形成了输出EM波100o的波瓣。更具体地，接触区域110：

-在z＝0和z＝hc之间延伸的部分对出射EM波100o的第一波瓣(即，主波瓣)有贡献，其中，hc为临界高度，其等于λ/(n

-在z＝hc和z＝2*hc之间延伸的部分对出射EM波100o的第二波瓣有贡献；

-在z＝2*hc和z＝3*hc之间延伸的部分对出射EM波100o的第三波瓣有贡献；

-等等。

因此，为了实现包括较高强度的单个波瓣的出射EM波100o，必须选择h＝hc。

实际上，在h比hc高达20％的情况下，在出射EM波100o中仅完全存在第一波瓣。仅第二波瓣的一部分开始存在于出射EM波100o中，使得在实践中经历第一波瓣的强度的简单降低。当h达到hc的120％至140％时，第二波瓣朝向较密集的介质取向，并与第一波瓣干涉。在第一波瓣和第二波瓣之间存在π相移，使得当高度h增加到hc之上时，第一波瓣的扩展角减小。对于高于hc的高度h，副瓣逐渐出现，其中针对以下形式的副临界高度识别波瓣之间的暗条纹限制：

因此，根据本发明的设备包括根据接触区域110的几何形状的至少一个接触区域，但是具有低于临界高度hc的1.2倍的高度h。

在一些实施例中，根据本公开的设备包括根据接触区域110的几何形状的单个接触区域。例如，现在结合图2描述根据本发明一个实施例的设备200。

更特别地，除了包括在设备200中的接触区域110的高度h的目标是等于临界高度hc之外，设备200的几何形状与上面关于图1a所讨论的相同。因此，当由沿着Oz轴传播的入射EM波100i照射时，接触区域110辐射现在包括单个波瓣的出射EM波100o，所述单个波瓣的特性如下：

-所述出射EM波100o E场是xOz平面中的中心在点

-可以将出射EM波100o的第一波瓣的上限211和下限212方向定义在最大场幅度的50％，具有原点C并且经过针对上限的点

-所述出射EM波100o方向是所述上限211和下限212方向之间的平分线。该方向由角度

-出射EM波100o的扩展角与上限211和下限212方向之间的角度γ

此外，当由电磁源100s辐射的入射EM波100i与由接触区域110辐射的出射EM波100o相干涉时，在接触区域110附近产生纳米射束热斑220(即，EM场达到高强度的局部区域)。

在一些实施例中，入射EM波100i的真空波长λ属于可见光谱(例如，真空波长λ位于400nm和700nm之间，或者等效地，入射EM波的频率位于430THz至790THz之间)。因此，可获得用于形成可见光波图案的具有纳米级尺寸的设备。在其它实施例中，入射电磁波的频率属于包括以下频率的组：

-无线电波，即在30Hz到300GHz之间；

-微波，即1GHz至100GHz；

-太赫兹辐射，即100GHz到30THz；

-红外线，即300GHz至430THz；以及

-紫外线，即790THz至30PHz。

在其它实施例(未示出)中，根据本公开的设备表现出结构沿x轴的对称性。在这种情况下，对于入射EM波100i的TM极化，出射EM波100o呈现π相移，而对于TE极化没有相移。

在其它实施例(未示出)中，包括在设备200中的接触区域110的高度h低于临界高度hc。在这种情况下，扩展角γ

在其它实施例(未示出)中，包括在设备200中的接触区域110的高度h包括在临界高度hc和比临界高度hc多20％之间。在这种情况下，扩展角γ

在其它实施例(未示出)中，接触区域110不沿着入射EM波100i的传播方向延伸。在这种情况下，只要接触区域110沿着入射EM波的传播方向的投影具有低于临界高度hc的1.2倍的非零高度，就实现了技术效果(即，接触区域110辐射单个波瓣)。

因此，根据本公开的设备包括具有第一折射率n1的第一材料的第一部分101和具有高于n1的第二折射率n2的第二材料的第二部分102。这种设备还包括在第一部分101和第二部分102之间的至少一个接触区域110，当设备被入射EM波100i照射时，其辐射出射EM波100o。至少一个接触区域110沿着入射EM波100i的传播方向的投影具有小于临界高度hc的1.2倍的非零高度h。

在一些实施例中，入射EM波100i的传播方向(即，由波矢量给出的方向)与接触区域110的延伸方向之间的入射角位于-20度和+20度之间。换句话说，存在接触区域110的延伸方向，即在当前情况下的轴oz，其与入射EM波100i的波矢量形成在-20度和+20度的指定范围内的角度。优选地，这种角度位于-10度和+10度之间，更优选地在-5度和+5度之间。在一些实施例中，入射电磁波的传播方向与接触区域110相切。

现在结合图3a至5c描述根据本公开的设备用于捕获和移动纳米粒子的用途。

实际上，由EM场在可极化纳米粒子上的相互作用产生的力可以在EM场中捕获或移动纳米粒子。移动的轨迹取决于EM场分布。

为了计算纳米粒子上的光诱导力，可以使用瑞利准则，其适用于比入射波长小得多的粒子。在这种状态下，光诱导力可以使用下面的等式从EM场计算(参见例如Ang，Angeleene S等人：“基于光子钩的光机械纳米粒子操纵器(Photonic Hook’basedoptomechanical nanoparticle manipulator)”科学报告8.1(2018)：2029，或Novotny，Lukas和Bert Hecht：“纳米光学原理(Principles of nano-optics)”，剑桥大学出版社，2012)：

其中x

其中r是纳米粒子的半径，以及∈是纳米粒子的相对介电常数，其是复数。

从上述两个等式中，我们看到对于具有类似材料但不同大小的颗粒，光诱导力是不同的(依赖于R)。我们还可以观察到光诱导力对纳米粒子的∈的依赖性。这些依赖性提供了用于诸如基于例如它们的大小或折射率的纳米粒子分选的应用的手段。

例如，考虑到由图la中所示和以上讨论的几何结构辐射的出射EM波100o，图3a至5c中所示的仿真示出：

-当h>hc时(图3a、4a和5a)，纳米粒子的轨迹(图5a)彼此交叉时(特别是在模拟区域的左上区域中)。因此在该区域中对于给定的纳米粒子没有唯一的轨迹；

-当h＝hc时(图3b、4b和5b)，纳米粒子的轨迹(图5b)窄并且在大面积中不同(不交叉)；以及

-当h＜hc时(图3c、4c和5c)，即使更宽，纳米粒子的轨迹(图5c)仍然是不同的。

因此，根据本公开的设备(即，在其任何实施例中，具有高度h低于hc的1.2倍的至少一个接触区域110的设备)可以用于辐射结构化的EM场，其可以创建分离的(非交叉的)轨迹。这提供了对纳米粒子的精确位置的良好控制，而没有关于未来路径的模糊性。因此，当设备被电磁源100s辐射的入射EM波100i照射时，这种设备可用于捕获或移动由接触区域110辐射的出射EM波100o中的纳米粒子。例如，应用可以是：

-以分离的轨迹中操纵纳米粒子；

-为纳米粒子提供长且弯曲的轨迹；

-光电梳，用于将纳米粒子布置在分离的行中；

-粒子分离器(例如用于微流体分选)，其基于颗粒的折射率或颗粒大小分离颗粒。在微流体方案中，具有不同折射率的颗粒的混合物可以利用它们各自对场的响应来分离。

现在结合图6a和6b描述当被电磁源100s辐射的入射EM波100i照射时，用于将入射EM波100i聚焦到焦点610的设备200'。

更特别地，对于上面关于图2讨论的设备200，设备200'包括：

-第一部分101'，具有第一折射率n1的第一材料(例如玻璃、塑料、液体、聚合物材料等)；

-第二部分102'，具有高于n1的第二折射率n2的第二材料(例如玻璃、塑料、液体、聚合物材料等)。

然而，设备200'还包括在第一部分101'和第二部分102'之间的至少两个接触区域110'1、110'2，当设备200'被入射EM波100i照射时，两个接触区域各自辐射朝向焦点610传播的出射EM波100o1、100o2。至少两个接触区域110'1、110'2中的每一者沿着入射EM波100i的传播方向的投影具有低于如上定义的临界高度hc的1.2倍的非零高度h。

因此，所述设备起到透镜的作用，并可用来将入射EM波100i聚焦到焦点610。

此外，如图6b所示，当至少两个接触区域110'1、110'2沿入射EM波100i的传播方向的投影高度h等于临界高度hc时，焦点610的宽度最小。在一个实施例中，至少两个接触区域110'1、110'2的投影的高度h因此等于临界高度hc。

在图6a所示的实施例中，至少两个接触区域110'1、110'2位于填充有第二材料的立方体的不同侧面(或面)上。

在其他实施例中，至少两个接触区域位于沿着入射EM波100i的传播方向延伸的圆柱体的不同子区域上，并且填充有第二材料。

现在结合图7描述根据本发明的一个实施例的包括光电二极管710和用于测量流体折射率的设备200”的系统。

更具体地说，对于上述设备200和200'，设备200”包括：

-第一部分101”，具有第一折射率n1的第一材料(例如玻璃、塑料、液体、聚合物材料等)；

-第二部分102”，具有高于n1的第二折射率n2的第二材料(例如玻璃、塑料、液体、聚合物材料等)；以及

-在第一部分101”和第二部分102”部分之间的至少一个接触区域110”，当设备200”被入射EM波100i照射时辐射出射EM波100o，至少一个接触区域110”沿着入射EM波100i的传播方向的投影具有低于如上定义的临界高度hc的1.2倍的非零高度h。

然而，在本实施例中，第二部分102”形成至少一容器。构成第一部分101”的第一材料是填充所述容器的至少一部分的流体。

因此，当设备200”被入射EM波100i照射时，在接触区域110”的水平处从第一材料朝向第二材料产生的出射EM波100o的特性(扩展角、方向等)取决于遵循上面关于图2讨论的推导的流体的折射率n1。

这允许基于对出射EM波100o的特性的测量来估计折射率n1。

因此，光电二极管710可以用于捕获至少部分的出射EM波100o。

因此，设备200”与光电二极管710结合或不结合，可以用于测量流体的折射率n1。

在一些实施例中，这是形成至少一容器的具有低折射率n1的第一材料的第一部分。具有高折射率n2的第二材料的第二部分由填充容器的至少一部分的流体组成。在这种结构中，可以根据出射的EM波100o的特性测量流体的折射率n2。

在一些实施例中，接触区域110”的高度h等于临界高度hc，使得通过对于出射EM波100o的波瓣实现的较薄的宽度，测量具有较高的精度。

在一些实施例中，设备200”包括单个接触区域110”。