专利名称：纳米光学的折射光学器件的制作方法
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，重定向入射福射。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(far field)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，O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福射图案(radiation pattern)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福射弯向掠射角(glancing angle)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。在本发明的另外方面，提供的光伏器件包括(A)镜膜(miiTor film), (B)形成在镜膜上的膜，和(C)包括形成在膜上的垂直纳米孔径阵列的电极。在这方面，电极、膜和镜膜被配置为Fabry-Perot (法布里-拍罗)腔结构。
图1a示出在水平偶极子孔径的传统光栅中，通过金属纳米孔径阵列的光的衍射透射。图1b示出在实施例的垂直偶极子纳米孔径阵列中，通过金属纳米孔径阵列的光的衍射透射。图1c是实施例的垂直偶极子纳米孔径阵列的截面视图，其叠加图示通过其中金属纳米孔径产生光衍射透射。图ld-f是如图1c中所示的垂直纳米孔径阵列结构的变体的截面视图。图2a是在Ag层上垂直取向形成的单个垂直纳米狭缝的一个实施例。偶极子孔径垂直取向于衬底。图2b_c是图2a的单个垂直纳米狭缝辐射图案的时域有限差分(FDTD)模拟。图2b是幅度图/幅值图，且图2c是幅度/幅值的角分布。
图2d是通过图2a单个垂直纳米狭缝的光学透射的实验性测量的光束分布。图2e是形成在Ag层上的单个垂直纳米狭缝的另一个实施例。偶极子孔径垂直取向于衬底。图2f_g是图2e的单个垂直纳米狭缝辐射图案的FDTD模拟。图2f是幅度图，图2g是幅度的角分布。图2h是形成在Ag层上的相对/对比的单个纳米狭缝的截面视图。偶极子孔径水平取向于衬底。图2i_j是图2h的单个垂直纳米狭缝辐射图案的FDTD模拟。图2i是幅度图，图2j是幅度的角分布。图2k示出作为光束入射角函数计算的垂直纳米狭缝的透射通量(throughput)(强度)。在考虑或不考虑表面等离子体功率的情况下，透射的整体功率在r=l微米处计算。在垂直入射(normal incidence)处计算的透射强度转化为80%的透射效率。图3a示出具有垂直偶极子孔径的实施例的纳米狭缝阵列的测量光束分布。图3b是具有面内水平偶极子孔径的传统纳米狭缝阵列的测量光束分布。图3c示出作为入射角函数测量的负折射角。实线对应于基于布拉格衍射定律的计算。图3d示出垂直纳米狭缝阵列的特征，例如在图1b中的特征用于描述或计算按照衍射光栅的布拉格定律的光束特性。图4a示出在具有局部变化、不一致光栅周期的垂直偶极子纳米孔径处的负折射。图4b示出负折射垂直偶极子纳米孔径阵列结构的侧镜功能。图4c示出传统的镜面成像。图5a示出一个实施例的截面视图，例如基于垂直纳米孔径阵列结构(垂直纳米狭缝阵列透镜)的光束聚焦透镜。每个纳米孔径辐射图案设计成取向于共同的焦点。每个孔径透射到焦点的相位延迟/相位差与相邻孔径相位延迟相差2 弧度，以便它们可以相长干涉。图5b示出垂直纳米狭缝阵列透镜的测量光束分布。图5c示出垂直纳米狭缝阵列透镜的测量光束分布:在焦点处获得210nm (FffHM)的束斑大小，用于633nm波长的光。图6a示出当纳米狭缝阵列在薄膜光伏器件中用于吸收增强时的截面视图。图6b示出横向叠放的太阳能面板。太阳能辐射倾斜入射在纳米孔径电极上并在掠射角方向上传输通过膜。垂直纳米孔径阵列示出用于掠射角入射的光的超常透射。图7a是垂直纳米孔径阵列(比例尺，400nm)的透视图的SEM图像。图7b是水平纳米孔径阵列(比例尺，4um)顶视图的SEM图像。图7c是图7b (比例尺，500nm)的水平纳米孔径阵列的截面视图的SEM图像。图8示出在传统水平偶极子孔径光栅中通过金属纳米孔径阵列的光的衍射透射。图9a示出用于偏振无关的2D光束整形功能的十字形2D纳米孔径。图9b_c是用于光束聚焦功能的垂直纳米孔径的2D阵列的视图:图9b是顶视图，而图9c是侧视图。图10a-d示出全息光刻和角度沉积(angle deposition)过程,用于在大区域的衬底构造垂直纳米孔径阵列。所选的台面高度和金属厚度可在台面结构的一侧上产生垂直纳米孔径。图1la-1lb是图2a单个垂直纳米狭缝辐射图案的FDTD模拟的其他视图。在图1la中，其是图2b的幅度图，箭头130和垂直虚线135分别叠加在单个垂直纳米狭缝，当前的入射辐射和衬底法线上。图1lb表示用于垂直纳米狭缝(V)和水平纳米狭缝(H)的辐射图案角分布；图例指示相对于衬底法线的入射光的角度0。图12a_12b是本发明的纳米狭缝阵列的其他实施例的截面视图的曲线图表示，用于在薄膜光伏器件中的吸收增强。箭头指示辐照(irradiance)角度/辐照度角。图13a_13c根据本发明示出使用的纳米狭缝阵列的其他的截面视图，用于块状和薄膜光伏器件中的吸收增强。图14a示出在电介质界面(空气到硅)上光的折射透射。图14b示出根据形成在电介质结构上的光栅结构的光栅周期到入射光波长的比率，一些衍射光束可获得掠射角透射。图15a示出假定的纳米孔径结构和产生的辐射图案。图15b示出图15a假定的纳米孔径结构的阵列，和产生的辐射图案。图15c示出相位匹配条件(波长矢量关系)，用于覆盖了图15b假定的纳米孔径阵列的电介质表面的情形。图16a示出垂直纳米狭缝的2D阵列。对于TE偏振分量(E=Ezz)，增加了水平光栅线(Kgz:z方向)。垂直运行的光栅线(Kgx:x方向)主要用于TM偏振。图16b示出图16a的2D阵列的截面视图，并沿着x_y平面。图16c示出图16a的2D阵列的截面视图，并沿着y_z平面。
具体实施例方式短语“垂直纳米孔径阵列”、“垂直纳米狭缝阵列”、“垂直偶极子阵列”和“垂直偶极子孔径阵列”在该说明中可交换使用。
_0] 在电介质界面上克服传统折射透射的限制在电介质表面上的光的折射透射服从于斯涅耳定律(Snell’ s law)，即透射角度由折射率和入射角的比率确定。对于进入到更高折射率介质的光束来说，例如在空气到硅(n约3.5)的情形中,最大透射角度限于 16度(约16度)(图14a)。形成在电介质表面上的光栅结构，例如周期性排列设置的金属丝或格栅，可产生衍射透射。根据光栅周期到入射光波长的比率，一些衍射光束可获得如图14b所示的掠射角透射。然而，在传统光栅中，透射功率大多数由零阶衍射承载，对于高折射率对比的介质来说，所述零阶衍射透射的最大角度有限制并很小，并且其它的高阶衍射通常是次要强度。实现高通量掠射角透射的困难来自两个原因:首先，传统光栅结构的单个衍射元件的散射图案不会提供很多功率到掠射角方向上，因此显著强度的高阶衍射光束不能在希望的方向上集聚/建立(build up)。其次，在传统光栅结构中，电介质表面的衍射元件覆盖率和它们的光耦合效率通常低下，因此大多数入射功率发射通过电介质表面而没有与光栅元件的相互作用。假定的纳米孔径结构在图15a中示出。纳米孔径结构在光学厚(optically-thick)的金属膜上形成,并具有设计成高度各向异性的福射图案，取向入射光到掠射角方向上。因电介质表面通过金属遮盖，除了纳米孔径区域，入射光的透射仅发生通过该孔径。因此，透射特性完全由孔径辐射图案本身影响，其取向于倾斜的方向。现在比较图15a的结构和如图15b中示出形成在电介质表面上的这类假定的纳米孔径的阵列。图15b中，孔径辐射之间的干涉可导致不同阶的衍射光束。方向落在孔径辐射图案角范围内的特定阶的衍射光束可具有强的透射，而取向于辐射图案外部方向的其它光束不能发展成行进波/传播波。图15c示出相位匹配条件(波矢量关系)，用于覆盖了假定纳米孔径阵列的电介质表面的情形。该图中，在透射一侧的+1阶衍射光束设计成匹配纳米孔径辐射图案，就是说，取向于用于倾斜入射的掠射角方向，并且零阶和其它高阶衍射遭抑制。这里，在高折射率介质中的掠射角透射通过利用高定向性纳米孔径辐射图案和它们的干涉效应成为可能，且操作原理与在块状电介质表面上的传统折射原理不同。该新原理(通过垂直偶极子辐射图案的衍射阶选择)可用于实现通过如下所述的纳米孔径的光的负折射。没有负折射率超材料的负折射与通常遭受高传输损耗的块状超材料的情形相比，根据本发明用纳米结构的金属膜实现的负折射可以到达远场区域而没有这类损耗。此外，大多数超材料依赖共振现象，且负折射限于狭窄的光谱范围。另一方面，本发明的垂直偶极子阵列结构允许用于在任意波长的负折射方向上的衍射。在块状介质的界面上可行的光负折射使得能够接触角范围，所述角范围在传统折射光学中不能获得。因此，纳米光学结构例如本发明的垂直倾斜纳米孔径阵列结构可用作平台，用于各种应用例如光束整形、成像、光刻、光学数据存储、信息处理、测试设备/仪器、计量和光伏器件。参考图lb，发明的垂直纳米孔径阵列100被设计成仅支持一 I阶光栅衍射，该光栅衍射形成负折射光束112。垂直偶极子阵列结构可包括支持膜115的衬底(没有示出)，膜115包括多个倾斜取向的部分120和多个孔径125。至少两个倾斜取向的部分120由孔径125隔开。倾斜取向的部分可被配置成使得该入射辐射130重定向到如由负折射光束112所示的负折射方向。与本发明一致，膜120不是由负折射率超材料组成，即使在垂直偶极子阵列结构配置以便入射辐射重定向到负折射方向的情形中。例如，膜120可包括有格栅的并且周期性倾斜、倾斜取向或倾斜的高导电材料的膜，即高导电材料的膜表示倾斜取向的纳米孔径阵列。高导电的材料可从Ag、Au、Al、Cu、Cr等，和/或其中的高导电合金，石墨烯、石墨或导电氧化物中选择。膜115可包括倾斜取向的部分120，并可由衬底135支持，如图1c中示出。相邻的倾斜取向部分120可由至少一个孔径125隔开。由至少一个孔径125隔开的倾斜取向的部分120，可形成由具有顶部表面的衬底支持的锯齿形图案，其中该表面的一部分部分形成为锯齿形图案。例如，每个锯齿形图案的锯齿可包括垂直台阶表面127和倾斜取向的或倾斜的表面121。衬底也可包括基本上水平的部分123，所述水平的部分123支持膜115的水平部分122。在从衬底法线131起始的角0上的入射辐射130重定向在远离衬底法线的角tp上。衬底135可包括非负折射率超材料的材料。本发明前面的描述由仅是说明性的下面例子补充。单个纳米孔径具有形成在Ag层上60nm宽度的单个纳米孔径或纳米狭缝的三个不同结构，在图2a (例子1)、图2e (例子2)和图2h (相对例子I)中示出。图2a中，膜115的倾斜取向部分120和水平部分122由衬底135支持，并由孔径125隔开。图2e中，如由包括孔径125’的垂直台阶表面127定义的，膜115的两个水平部分122，其中每个由衬底135支持并彼此提升。图2h中，膜115的两个水平部分122，其每个由衬底135支持且彼此不提升，由孔径125"隔开。用于三个不同结构的每个的辐射图案的FDTD模拟分别在图2b-2c、2f_g和2i_j中示出。当图2c、2g和2j示出幅度的角分布时，图2b、2f和2i示出坡印廷矢量(PoyntingVector)分布(幅度图)。对于每个模拟来说,Ag的电介质常数在633nm处假定为一 16+il.1,且具有633nm波长的TM偏振光垂直于衬底入射。模拟窗口是20umX 15um。FDTD结果使用具有IOnm格栅间距的2D的Yee网格和完美匹配层/完全匹配层(PML)边界条件产生。对于从底侧垂直入射的平面波来说，狭缝透射示出从衬底法线倾斜取向的辐射图案。例如，图2c中，主瓣(main lobe)取向于具有50°半宽度角(full-width-at-half-maximum angle)的θ=140。的方向(从衬底法线 50。倾斜)。对于偶极子轴是水平的传统狭缝辐射图案来说，所述偶极子轴平行于如图2h中示出的膜表面，这是清楚的对比。后面的结构示出20° -160°的辐射角(从衬底法线±70° )功率几乎均匀的分布。当不需要束缚于任何具体理论时，据信倾斜纳米狭缝孔径的配置作为偶极子类线源，其在由入射波激发的情况下垂直于金属膜振荡。对于入射到孔径的横向磁(TM)偏振光来说，金属通过感应表面电流响应。感应电流在相对/相反的角落不同地工作，就是说，在一个角落积累电荷同时在另一个角落消耗电荷。在垂直孔径上的该偶极子振荡具有重辐射入射能量到远离衬底法线的倾斜方向上的效应。在狭缝角落和边缘上感应的偶极子电荷量取决于孔径几何形状/尺寸和相对于边缘的入射场矢量的取向。与金属表面(狭缝边缘)相互作用的电磁波可感应偏振表面电荷，其中表面电荷密度可表达为:
权利要求
1.一种垂直偶极子阵列结构，其包括(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负折射方向上，以及(iv)所述膜不是由负折射率超材料组成。
2.根据权利要求1所述的垂直偶极子阵列结构，其中至少两个所述倾斜取向的部分由不止一个孔径隔开。
3.根据权利要求1所述的垂直偶极子阵列结构，其中所述薄膜包括高导电材料。
4.根据权利要求1所述的垂直偶极子阵列结构，其中所述薄膜包括Ag、Au、Al、Cu、Cr、石墨烯、石墨或导电氧化物。
5.根据权利要求1所述的垂直偶极子阵列结构，其中所述倾斜取向的部分彼此相对以不同的角度倾斜取向，以便发散的输入光束透射为准直的平行光束。
6.根据权利要求1所述的垂直偶极子阵列结构，其中所述倾斜取向的部分以这样的角度倾斜取向，使得入射辐射透射通过孔径，并在焦点处相长干涉。
7.根据权利要求1所述的垂直偶极子阵列结构，其中所述孔径由一致的光栅周期隔开。
8.根据权利要求1所述的垂直偶极子阵列结构，其中所述孔径由不一致的光栅周期隔开。
9.根据权利要求1所述的垂直偶极子阵列结构，其中所述倾斜取向的部分被配置成主要支持入射辐射的-1阶透射。
10.根据权利要求1所述的垂直偶极子阵列结构，其中支持所述膜的所述衬底的表面包括锯齿形轮廓，所述锯齿形轮廓包括由至少一个垂直台阶表面隔开的倾斜取向的表面。
11.根据权利要求1所述的垂直偶极子阵列结构，其中支持所述膜的所述衬底的表面包括锯齿形轮廓，所述锯齿形轮廓包括由至少一个垂直台阶表面隔开的倾斜取向的表面；以及其中所述倾斜取向的表面基本上互相平行。
12.根据权利要求1所述的垂直偶极子阵列结构，其中所述多个孔径定义所述薄膜的不连续面。
13.根据权利要求1所述的垂直偶极子阵列结构，所述衬底不包括负折射率超材料。
14.根据权利要求1所述的垂直偶极子阵列结构，其中所述倾斜取向的部分可以被调整成以不同的角度倾斜取向。
15.根据权利要求1所述的垂直偶极子阵列结构，其中辐射被透射而没有镜面成像效应。
16.一种垂直偶极子阵列结构，其包括(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透射通过所述孔径并在焦点处相长干涉，以及(iv)所述膜不是由负折射率超材料组成。
17.一种制作垂直偶极子阵列结构的方法，其包括(A)提供衬底并且(B)在其表面上形成膜，其中所述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。
18.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括蚀刻所述衬底的顶部表面从而具有锯齿形轮廓，所述锯齿形轮廓包括由至少一个垂直台阶表面隔开的倾斜取向的表面。
19.一种光伏器件，其包括电极，所述电极包括形成在膜上的垂直纳米孔径阵列，其中所述电极被配置成使得入射辐射弯向掠射角方向，而没有通过所述膜的直接透射。
20.一种光伏器件，其包括电极，所述电极包括形成在膜上的垂直纳米孔径阵列，其中所述电极被配置成使得倾斜入射辐射直接透射通过所述纳米孔径电极，并且直接透射的辐射以掠射角传播通过所述膜。
21.—种2D垂直纳米孔径阵列结构，其包括(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阵列不是偏振敏感的。
22.根据权利要求21所述的2D垂直纳米孔径阵列结构，其中至少一个所述孔径是十字形孔径。
23.一种在大区域上形成垂直纳米孔径阵列的方法，其包括对由衬底支持的膜和衬底通过全息光刻图案成形，并通过其角度沉积在所述膜上提供金属。
24.一种垂直偶极子阵列结构，其包括(A)支持(B)膜的衬底，所述膜包括多个偏移部分，其中(i )所述膜具有多个孔径，(ii)至少两个所述偏移部分由孔径隔开，(iii)所述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)所述膜不是由负折射率超材料组成。
25.根据权利要求24所述的垂直偶极子阵列结构，其中支持所述膜的所述衬底的表面包括台面图案。
26.一种垂直偶极子阵列结构，其包括(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。
27.根据权利要求1所述的垂直偶极子阵列结构，其中辐射被透射通过所述孔径，并用比约0.5 A更小的斑点尺寸在用于光束聚焦功能的给定的斑点处相长干涉。
28.一种光伏器件，其包括(A)镜膜，(B)形成在镜膜上的膜，和(C)包括形成在所述膜上的垂直纳米孔径阵列的电极，其中所述电极、膜和镜膜被配置作为Fabry-perot腔结构。
29.根据权利要求28所述的光伏器件，其中所述电极和镜膜被配置成使得透射的光被镜膜反射。
30.一种2D垂直纳米孔径阵列结构，其包括形成在膜上的至少第一 ID光栅结构，和形成在所述膜上的至少第二 ID光栅结构，其中所述第一和第二 ID光栅被配置成使得非偏振光耦合到所述膜中。
31.根据权利要求30所述的2D垂直纳米孔径阵列结构，其中所述第一ID光栅结构和所述第二 ID光栅结构中的每个是垂直纳米孔径阵列结构。
全文摘要
本发明涉及一种垂直偶极子阵列结构，其包括支持膜的衬底，该膜不是由负折射率超材料组成。该膜包括多个倾斜取向的部分和孔径。至少两个倾斜取向的部分由孔径隔开，且倾斜取向的部分被配置成使得入射辐射重定向成负或正折射方向。
文档编号G02B27/12GK103119498SQ201180045778
公开日2013年5月22日 申请日期2011年7月21日 优先权日2010年7月22日
发明者H·K·金, Y-S·荣, Y·习 申请人:匹兹堡高等教育联邦体系大学