[发明专利]纳米光学的折射光学器件

说明书

本申请是国际申请日为2011年7月21日、进入国家阶段日为2013年3月22日的名称为“纳米光学的折射光学器件”的中国专利申请201180045778.9的分案申请。

本发明是在政府的支持下根据美国国家科学基金会授予的ECS-0424210完成的。政府在本发明中具有一定的权利。

相关申请

本申请要求2010年7月22日提交的美国临时申请61/366,809和2010年11月12日提交的美国临时申请61/412,957的优先权。这些申请的各自内容整体包括在此以供参考。

技术领域

本发明一般针对光学器件，并更具体地涉及纳米结构的光学器件及制造器件的方法。

背景技术

两个不同介质的界面上光的折射，在成像和光束整形光学器件中形成必要的基础。当通常看作发生在块状(bulk)介质界面上的宏观现象时，在微观水平上，所述现象涉及通过原子或分子水平的散射体(再辐射体)的光衍射透射，和在产生的小波(wavelet)之间的后续干涉。

折射和光栅衍射之间的内在联系是显然的，因为两种现象涉及衍射透射和干涉。然而，它们的不同在于涉及截然不同长度的尺度。就是说，由于散射体的原子/分子水平的间距发生折射，且由于波长尺度的孔径间距而发生光栅衍射。

在具有折射率为负的人工介质界面上的情形中，光可弯向从表面法线起始的负角。然而，负折射率超材料(metamaterial)通常涉及在子波长尺度设计的共振结构，并内在地关联损耗和操作的有限光谱宽度。此外，在传统的光栅中透射功率大多数由0阶衍射(即直接透射)承载，且其它高阶(higher-order)衍射通常是次要强度。例如，如图1a示出的传统水平偶极子阵列10的辐射图案12支持，0阶(直接透射)作为主要光束。

发明内容

本发明的目的是提供这样的结构，该结构不支持使用负折射率超材料使入射辐射弯向任意选择的希望的方向，即负或正折射方向。替代地，本发明提供格栅结构，所述格栅结构通过穿过倾斜取向纳米孔径/孔(aperture)的高阶衍射透射和干涉，重定向入射辐射。

为实现上述目标，本发明设想了形成在例如金属薄膜上的纳米孔径阵列。每个纳米孔径可从膜表面上倾斜取向以便辐射图案指向特定的取向，所述特定的取向随着减小的角扩散从衬底的法线处离开。作为阵列，孔径辐射使相长干涉进入特定的方向，该特定方向设计成匹配单个孔径的辐射图案。

因此，本发明提供了新类型的薄膜光栅结构，用于在块状介质中衍射光。根据入射光束方向，该光栅结构使光束能够负或正折射到远场(farfield)而没有传输损耗。对于负折射，光栅结构设计成主要支持-1阶衍射，而对于入射角的广泛范围，0阶和其它高阶光束被抑制。对于正折射来说，当光栅结构抑制其它衍射分量时，其优先利用+1阶衍射光束。具有阶选择能力的该光栅衍射通过制作纳米孔径的辐射图案(radiationpattern)获得，以便它们可以仅在所选衍射阶的方向上相长干涉。

根据本发明的一方面，提供的垂直偶极子阵列结构包括(A)支持(B)膜的衬底，该膜包括多个倾斜取向的部分，其中(ⅰ)膜具有多个孔径，(ⅱ)至少两个倾斜取向的部分由孔径隔开，(ⅲ)倾斜取向的部分被配置成使得入射辐射重定向在负折射方向上，以及(ⅳ)膜不是由负折射率超材料组成。

根据本发明的另一个实施例，本发明提供了制作垂直偶极子阵列结构的方法。该发明的方法包括(A)提供衬底并(B)在其表面上形成膜，其中膜包括孔径和倾斜取向部分的阵列，但其不是由负折射率超材料组成。

根据本发明的另一个实施例，提供的光伏器件包括电极，该电极包括形成在膜上的垂直纳米孔径阵列。电极被配置成使得入射辐射弯向掠射角(glancingangle)方向而没有通过膜的直接透射。

根据本发明的另一方面，提供的垂直偶极子阵列结构包括(A)支持(B)膜的衬底，所述膜包括多个偏移部分。在这方面，(ⅰ)膜具有多个孔径，(ⅱ)至少两个偏移部分由孔径隔开，(ⅲ)偏移部分被配置成使得入射辐射重定向在负折射方向上，以及(ⅳ)膜不是由负折射率超材料组成。在优选实施例中，支持膜的衬底的表面包括例如如图10中所示的台面(mesa)图案。

在本发明的另一方面，提供的垂直偶极子阵列结构包括(A)支持(B)膜的衬底，所述膜包括多个倾斜取向的部分，其中(ⅰ)所述膜具有多个孔径，(ⅱ)至少两个所述倾斜取向的部分由孔径隔开，(ⅲ)所述倾斜取向的部分被配置成使得入射辐射重定向在正或负折射方向上，以及(ⅳ)所述膜不是由负折射率超材料组成。