[发明专利]用于控制光学波阵面的相位的器件

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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(“Design and fabrication of blazed binary diffractive elements with sampling periods smaller than the structural cutoff”,JOSA A,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(“Beam manipulating by metallic nano-slits with variant widths”,Optics Express,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，“waveguiding in nanoscale metallic apertures”,Optics Express,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n_eff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：

n_eff＝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Δn_eff/n_eff≥0.13的误差。本发明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。

发明内容

根据第一方面，本发明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。