电磁波传播结构的制作方法

专利名称：电磁波传播结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁波传播结构，更具体地说，本发明涉及一种,衍射 极限并提高弓l入了该电磁波传播结构的光学系统的分辨率和精度的电磁波传播 结构。
背景技术：
电磁波技术，特别是，光学技术，是在诸如医学检查、精确测量、半导体
工业等的高技术行业中:ir践用的基本技术之一。因此，寻找提高光学技术 的分辨率和精度的方法正是学术界和工业界的努力目标。
光的特性受衍射极限的限制，衍射极限限制角itf (衍射角的正弦(sine)) 和光束宽度(2w)的乘积的最小值。当前，光学系统中对聚焦光斑可以实现的 最高分辨率约为入射光束波长的0.61倍(1一D波长的一半)。通过0^该衍射 极限，可以使光聚焦为其大小远小于该光的波长的光斑，从而提高光学系统的 分辨率和精度。当前，提高光学分辨率的方法有三种，它们是减小该光束的波长、增大 该光束通过其传播的光学介质的折射率以及采用禾拥最大光锥半角的光学透 镜。这3种方法中，降低该光束的波长的方法产生最显著的效果，因此，也是 最广践用的方法。例如，在半导体制造过程中采用的光蚀刻和光刻方法中， 将曝光和显影使用的光束的波长縮短到紫外光的波长范围内。然而，该方法的
问题在于，增加了进一步縮短波长以及相应制造技术的难度，而且增加了^5:
相应设施所需的成本，这些甚至成为相关技术领 步的瓶颈。
因此，为了提高光学系统的雄率和精度，如何繊限制各种光学应用的 衍射极限成为要自的挑战。

发明内容
因此，本发明的目的是掛共一种能^l高光学系统中的分辨率和精度的电 磁波传播结构。
根据本发明的一个方面，掛共了一种适合用于电磁波传播系统的电磁波传 播结构。该电磁波传播系统包括波鄉模块和波接收模块，具有某个波长的电
磁波适合在波传播方向从该波^l寸模i刺专播。该电磁波传播结构包括主体， 其表面會,Hih该电磁波传播，而且它包括入射端和在该波传播方向对着i^A 射端的出射端。该主体形成了两个波传播通路，这两个波传播通路互相之间分 离开的距离不大于该电磁波的波长。每个波传播鹏从^A射端延伸到该出射 端，而且其内部尺寸不大于该电磁波的波长的一半。该电磁波传播结构适合使 电磁波通过该波传播通路从该波，模刺专播到该波接收模块，以将它聚焦为 其光斑尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑。
本发明的另一个目的是提供一种适合产生超准直光束的电磁波传播结构。 根据本发明的另一个方面，提供了一种适合用于电磁波传播系统中的电磁 波传播结构。该电磁波传播系统包括波，模块，具有某个波长的电^^ig合
在波传播方向从该波mH對刺专播。该电磁波传播结构包括主体，其表面能
够阻止该电磁波传播，而且它包括入射端和在该波传播方向对着该入射端的出
射端。该主体形成了两个波传播通路，这两个波传播S^互相之间分离开的距 离不大于该电磁波的波长，每个波传播il^各从^A射端延伸到该出射端，而且 其内部尺寸不大于该电磁波的波长的一半。该主,该波传播方向确定中轴。 每个波传播il^各分别在该主体的入射端具有入射口 ，在该主体的出射端具有出
射口，而且具有在i^A射口与出射口之间延伸的内部部分，该内部部分确定平 行于该中轴的中心线，而且其内部尺寸不大于该出射口的内部尺寸。该波传播 通路的内部部分相对于该中轴对称，每个波传播通路的出射口相对于相应的一 个该波传播通路的中心m称。在该出射端上，该主体进一步形成多个周期性 布置的凹槽。每个凹槽的内部尺寸均不大于该电磁波的波长的一半。该凹槽中 的相邻凹槽互相之间分离开的距离不大于该电磁波的波长。
至少设置每个凹槽的内部尺寸和深度以及该凹槽中相邻凹槽之间的距离 之一，以使该电磁波传播结构适合使电磁波通过该波传播通路从该波皿模块 传播，以在该中轴附近重叠并继续作为超准直光束传播。


根据下面参考附图对，实施例所做的详细描述，本发明的其他特征和优 点显而易见，其中.-
图1是根据本发明的电磁波传播结构的第一 实施例的示意图2是示出对第一雌实施例获得的z向磁场的模拟结果的磁场纟艘图3是示出对第一，实施例获得的y向电场的净莫拟结果的电场弓虽度图； 图4是示出对第一 实施例获得的y向极化电流的模拟结果的电流强度
图5是示出对第一优选实施例获得的x向极化电流的模拟结果的电流强度
图6是示出对第一 实施例获得的z向磁场的另一个模拟结果的磁场强
度图7示出对第一,实施例获得的时间平均x向电场能量分布的模拟结
果；
图8示出对第一tm实施例获得的时间平均z向磁场能量分布的模拟结
果；
图9示出对第一,实施例获得的电场和磁场的x向坡印廷(Poynting) 矢量的时间平均场能流的模拟结果；
图10示出对第一i^实施例获得的电场和磁场的y向坡印廷矢量的时间 平均场能流的模拟结果；
图11是根据本发明的电磁波传播结构的第二tt实施例的示意图12是示出对第二 实施例获得的z向磁场的模拟结果的磁场强度图; 图13是根据本发明的电磁波传，番结构的第三 实施例的示意图； 图14是根据本发明的电磁波传播结构的第四优选实施例的示意图； 图15是根据本发明的电磁波传播结构的第五优选实施例的示意图； 图16是根据本发明的电磁波传播结构的第六 实施例的示意图； 图17是根据本发明的电磁波传播结构的第七itt实施例的示意图； 图18是示出对第七iM实施例获得的z向磁场的模拟结果的磁场纟雖图; 图19是根据本发明的电磁波传播结构的第八优选实施例的示意图； 图20示出对第八，实施例获得的时间平均x向电场能量分布的模拟结
果；
图21是根据本发明的电磁波传播结构的第九ttii实施例的示意图； 图22是根据本发明的电磁波传播结构的第十优选实施例的示意图； 图23是 本发明的电磁波传播结构的第十一 实施例的示意图； 图24是根据本发明的电磁波传播结构的第十二im实施例的示意图； 图25是根据本发明的电磁波传播结构的第十三，实施例的示意图26是根据本发明的电磁波传播结构的第十四 实施例的示意图； 图27是示出对第十四 实施例获得的z向磁场的模拟结果的磁场 驢
图28是根据本发明的电磁波传播结构的第十五 实施例的示意图； 图29是根据本发明的电磁波传播结构的第十六雌实施例的示意图； 图30是根据本发明的电磁波传播结构的第十七优选实施例的示意亂 图31是根据本发明的电磁波传播结构的第十八im实施例的示意图； 图32是根据本发明的电磁波传播结构的第十九ttit实施例的示意图； 图33是根据本发明的电磁波传播结构的第二十,实施例的示意图； 图34是示出对第二十 实施例获得的z向磁场的模拟结果的磁场纟M
图35是根据本发明的电磁波传播结构的第二十一,实施例的示意图； 图36是根据本发明的电磁波传播结构的第二十二im实施例的示意以及
图37是包括了本发明的电磁波传播结构的电磁波传播系统的方框图。
具体鄉方式
在更详细说明本发明之前，应该注意，在本申请中，禾l佣相同的附图标记 表示相同的元件。
参考图1，采用根据本发明的电磁波传播结构的第一,实施例使电磁波 通过其传播。因为麦克斯韦等式的通用性，本发明的电磁波传播结构对包括可 见光、非可见光等的各种波长和频率的电磁波可以通用。该电磁波传播结构包 括主体l，由两个波传播通路2形成，每次在该电磁波通过其传播时，都利 用这两个波传播通路2改变电磁波的传播方向和能量分布。
主体1具有旨滩阻挡该电磁波传播的表面，而且在波传播方向(y)上， 它包括入射端11和对着该入射端11的出射端12。
在该主体1上，分隔形成这两个波传播通路2。波传播通路2分别/AA射 端11延伸至咄射端12，而且它们在入射端11具有入射口 21，在出射端12具 有出射口 22;以及在该入射口 21与出射口 22之间延伸的内部部分23。每个波 传播通路2的内部部分23的内部尺寸都不大于要M其传播的电磁波波长a) 的一半。此外，这两个波传播通路2之间的距离不大于要通过其^f专播的电磁波
波长a)。在该电磁波通5l^两个波传播通路2从主体i的入射端ii传播到
出射端12时，只要该电磁波存在两个波传播通路2，则在^iffiS两个波传播通 路2的主体1的出口面积的位置或者附近，产生子波长天线效应和光弯曲效应， 从而导致该电磁波的传播方向和能量分布发生变化。
在该实施例中，由提高电磁波透射的材料构成的通路面分别确定*波传 播通路2。波传播通路2的通路面m是金属制造的。
通过利用时域有限差分方法(FDTO)进行模拟，船正该电磁波传播结构 所获得的效果。禾!J用德鲁德(Drude)极(是德鲁德(Drude)模型介质的代表)， 采用辅助差分方程式方法，对主体1建模，该主体l由与电磁波强烈反应的诸 如MM或者其他材料的色TO料构成。此外，以模拟方式，计 目量极化电流。 利用下面描述的模拟结果验证本发明的电磁波传播结构与要通过该电磁波传播 结构传播的电磁波的特性之间的关系。此外，获得的聚焦光斑用于^ffi本发明 的电磁波传播结构实现的效果。
除非另有说明，模拟系统是二维的，而且M:栅格系统表示该模拟系统，
该栅格系统具有带有4 nm单位格子长度的Yee空间点阵的600 X 600格子。利
用索引(IJy)表示该栅格系统的每个格子，其中(Ix)和(Iy)分别对应于互相正交
的第一方向(x)和波传播方向(y)中的格子位置。在此应该注意，在该公开 中，还可以将该波传播方向(y)换称为第二方向(y)。 (y和(Iy)的值均在1至 600的范围内。该模拟系统的原点位于索引(IxJy) =(300,360)。还利用对应于 该栅格系统的实际尺寸的坐标系表示该模拟系统，该栅格系统的实际尺寸是2.4 MmX2.4 ^。该坐标系包括坐标(C^,Cy)，其中(Q0的值在一1.2至1.2的范围内， 而(Cy)的值在一1.44至0.96的范围内，而且该原点位于坐标(C^，Cy)二(0,0)。在 该模拟中，将主体l设置为在传播方向(y)上的厚度(tl)为240 nm (即， 在波传播方向(y)上，主体1的入射端11与出射端12之间的距离为240 nm)。 因此，在该栅格系统中，主体1的入射端11和出射端12分别位于(Iy=390) 和(Iy=331 )。 ^h波传播鹏2的内部部分23的内部尺寸(wl)为80nm (即， 第一方向(x)上的通路宽度为80 nm),而这两个波传播M^各2之间在第一方 向(x)上的距离(dl)为240nm。此外，在该栅格系统上，电磁波源位于(Iy =590)，而该电磁波以减小的(Iy)值在第二方向(y)传播，而且微长为633 nm。分别在第一方向和同时与第一方向(x)和第二方向(y)正交的第三方向(Z)，极化该电场和磁场，然后，将它们标准化为统一。为了将数值反射
(numerical reflection)和错误斷氐到最小，将位于 标系的第二方向(y)上 的非负值部分的，莫拟系统的第一方向(x)的两个边界设置为周期性的，而将所 有其他边界设置为完全匹配层吸收边界条件(Perfectly Matched Layer Absorbing BoundaiyCondictions)。将该时间标准化为该电磁波的周期，而且该模拟中的时 间步长(dt)是0.004。
此外，在lt极应该注意，参考示出该图的图纸，以其各自的一般意义解释 本公开中参考附图使用的诸如"向下"、"向外"、"右侧"等的方向性术语。
参考图1和图2，在时间=9.2时，在该电磁波通过这两^h波传播通路2 传播后，这两个波传播 2上存在的、还被称为z向磁场(Hz)的第三方向 (z)上的磁场^应于主体1的中轴，艮卩，对应于接近0的(Cx)，的中心部 分重叠。参考图1和图3，在该中心部分，这两个波传播通路2上存在的、还 被称为y向电场(Ey)的波传播方向(y)上的电场消失，而其能量被转换为z 向磁场(Hz)和还被称为x向电场(Ey)的第一方向(x)上的电场。这种5im 是子波长天线效应之一。
参考图l、图4和图5，主体l入射端ll上的表面电流和电磁波的激发以
及该电磁波与这两个波j专播ffi^各2的耦合产生表面等离子运动和表面等离子振 子(plasmon)。同时，在分别通过波传播鹏2传播时，该电磁波4顿应于通 路2之一的内部部分23所确定的表面极化，以致获得的极化电荷和电流以及该 电磁波向下流向主体1的出射端12。因为子波长天线效应，流动的极化电荷和 电流在第三方向(z)产生附加磁场，即，(Hz)。
参考图1和图6，在时间=9.5时，向作为基准的主体1的出射端12的下 方，使该z向磁场(Hz)聚焦，此时，该z向磁场(Hz)的幅值为0.757。参考 图7和图8，禾1」用该电磁波在时间=9.5时以比该电磁波的波长的一半小的 0.366人的會糧平均光斑大小(0.386 1的FWHM光斑大小)聚焦后的x向电场(&) 和z向磁场(Hz)的时间平均能量分布，可以^i正该电磁波继续以高亏M向下 传播。
参考图l、图9和图10，还可以利用该磁场和电场的坡印廷(Poynting) 矢量(S1，S2)验i正该电磁波的传播和聚焦。如图9所示，x向坡印廷矢量(Sl) 和场能量流向主体1的中心部分。Y向坡印廷矢量(S2)和场能量聚焦在主体
1的出射端12的下面，之后，继续向下、向外传播，表示该电磁波是行电磁波。 应用了当前禾根进步的本发明IM了传统的波理论，传统波理论i人为光不 會隨过子波长隙缝传播。然而，正如上面对根据本发明的电磁波传播结构的第 一实施例获得的模拟结果所斷正的那样，激发金属面上的表面电荷运动或者电 荷密度波提高了该电磁波的透射。此外，在创新的电磁波传播结构的波传播通 路2内，禾,子极限波函数使该电磁波聚焦为比该电磁波的波长的一半小的光
斑。该波传播鹏2上的波函数接近常数，而且在主体1的表面上显著斷氐。
在此，应该注意，在衍射极限的传统理论中，没有研究限界在子极限规模内的
空间本征值(即，波数)kK)模的这种函数，因此，不落入相应范围内。
参考图11，根据本发明的电磁波传播结构的第二雌实施例与第一 实
施例的不同之处在于，第二，实施例的主体la在出射端12a进一步形成有至 少一个凹槽13。凹槽13的内部尺寸不大于要通过该波传播趣络2传播的电磁 波的波长的一半，而且它与该波传播通路2的相邻之一分离开的距离不大于该
电磁波的波长。此外，在3M:第二itt实施例的波传播S^2传播的电磁波形
成的聚焦光斑中出现"推移"、"挤压"或者"压缩"5旨，以致再一次减小聚焦光斑的尺寸，而且在主体la的出射端12a下面，该电磁波的传播方向和會遣 分布发生变化。在该实施例中，为了示例目的，主体la形成有一个凹槽13。
对于第二优选实施例，执行与i^t第一，实施例执行的模拟类似的模 拟。在该模拟系统中，凹槽13在波传播方向(y)上具有凹槽深度(t2)，而在 第一方向(x)上，具有凹槽宽度(w2)，它们均被设置为80nm。此外，在第 一方向(x)上，波传播通路2的右侧之一与凹槽13之间的距离(d2)被设置 为120nm。进一步参考图12，在时间二9.5时，在^i正该电磁波通过该波传播 鹏2传播时，在出射端12a的下面，z向磁场(Hz)被聚焦为光斑，该光斑 的育讀平均3^王大小为0.328 ;UFWHM^g大小为0.378入)，而其幅值为0.791 ， 而且该光斑小于该电磁波的波长的一半。此外，该光斑不对称，因为存在"推 移"或者"压縮"现象。
如图13所示，根据本发明的电磁波传播结构的第三 实施例与第二优 选实施例的不同之处在于，第三iM实施例的主体lb在出射端12b进一步形成 了两个凹槽13。相对于主体lb的中轴，对称布置该凹槽13，而且布置该凹槽 13，以在其间插入波传播 2。此外，该凹槽13用于挤压该聚焦光斑。 第三 实施例可以实现与上面公开的效果相同的效果，在第三 实施 例中，将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑。
参考图14，根据本发明的电磁波传播结构的第四优选实施例与第三优选实
施例的不同之处在于，第四 实施例的主体lc在出射端12c进一步形成了多 个凹槽13。周期性地互相分离布置该凹槽13，而且每个相邻凹槽13对之间的 距离不大于该电磁波的波长。
第四 实施例可以实现与上面公开的效果相同的效果，在第四,实施 例中，将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑。
同样，当i^A射端11至少形成一个凹槽时，与该波传播通路2耦合并通 过该波传播通路2传播后的电磁波的物理f争性将发生变^七。下面是例子。
如图15所示，根据本发明的电磁波传播结构的第五 实施例与第一优 选实施例的不同之处在于，第五，实施例的主体ld在入射端lld进一步形成 了多个周期性分离的凹槽13。每个凹槽13的内部尺寸都不大于该电磁波的波 长的一半。此外，每对相邻凹槽13之间的距离不大于该电磁波的波长。在该实 施例中，与波传播鹏2d空间魏的方式，分别布置其中个凹槽13，以致位
于入射端lid的^t^波传播M^2d的入射口 21d的内部尺寸都不小于位于入射 口 21d与出射口 22之间的每个波传播通路2d的内部部分23的内部尺寸。
与J^实施例相同，第五优选实施例也可以实现将该电磁波聚焦为其尺寸 小于该电磁波的波长的一半的光斑。
在此，应该注意，在此公开的^it实施例的电磁波传播结构也涉及iOT介 质材料。例如，如图16所示，根据本发明的电磁波传播结构的第五雌实施例 与第一雌实施例的不同之处在于，包括透光介质层3，絲置在主体l的入 射端11上用于支承主体1、用于产生波导效果以及改变要通过该电磁波传播结 构传播的电磁波的传播特性。在该实施例中，该透光介质层3由玻璃构成。
通过模拟可以验证，第六 实施例也可以实现将该电磁波聚焦为其尺寸 小于该电磁波的波长的一半的光斑的效果。
如图17所示，根据本发明的电磁波传播结构的第七 实施例与第一优 选实施例的不同之处在于，旨波传播通路2e的出射口 22e相对于相应的* 传播通路2e的内部部分23的中心线形状不对称。该效果^M出射口 22e从 这两个波传播M^2e出来后，该电磁波发生弯曲，这样，当在主体le的中轴
附近保持能量分布基本不变时，该电磁波向下离开主体le的出射端12e继续传 播到主体le的中轴，甚至被聚焦为光斑。
参考图18，在时间=9.26时，在该电磁波通过第七雌实施例的两个波传 播通路2e传播时，在执行与上面执行的模拟类似的模拟期间，z向磁场(Hz) 被聚焦为其能量平均大小为0341 U或者FWHM斑大小为0.364 "的光斑(幅 值为1.30)，它小于该电磁波的波长的一半。
如图19所示，根据本发明的电磁波传播结构的第八优选实施例与第七优 选实施例的不同之处在于，以在第一方向(x)互相直接空间连通的方式，布置 这两个波传播通路2f的出射口 22f。
参考图19和图20，根据x向电场(&)的时间平均育遣分布可以验i正， 第八 实施例也可以实现其尺寸小于该电磁波的波长的一半的聚焦光斑，而 且在聚焦为该光斑之前，在通过出射口22f从这两个波传播通路2f出来后，该 电磁波发生弯曲。此外，在传播到主体lf的中轴并被聚焦为该光斑后，该电磁 波继续以高强度传播。
如图21所示，根据本发明的电磁波传播结构的第九t^实施例与第八优 选实施例的不同之处在于，主体lg在出射端12g上进一步形成了凹槽13。凹 槽13的内部尺寸不大于该电磁波的波长的一半。因此，在该聚焦^M上发生邻 移"或者"压縮"现象，以致再一次减小该聚焦光斑的大小，而且在该电磁波 通过出射口 22f从该波传播通路2f出来后，该电磁波的传播方向和能量分布发 生变化。在该实施例中，为了示例目的，主体lg形成了一个凹槽13。
在与对，实施例执行的模拟类似的模拟中，^i正第九，实施例可以实 现将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑的效果。此外， 与第二 实施例相同，该光斑不对称，因为存在"推移"或者"压縮"现象。
如图22所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十 实施例与第九优 选实施例的不同之处在于，第十iM实施例的主体lh在出射端12h形成了其中 两个凹槽13。相对于主体lh的中轴，X^尔布置该凹槽13，而且布置该凹槽13， 以在其间插入波传播通路2f。此外，该凹槽13用于压縮该聚焦光斑。
Ml莫拟可以验证，第十 实施例也可以实现将该电磁波聚焦为其尺寸 小于该电磁波的波长的一半的光斑的效果。
如图23所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十一iM实施例与第八
,实施例的不同之处在于，第十一优选实施例的主体li在出射端12i形成了
多个凹槽13。周期性地互相分隔布置该凹槽13，而且每对相邻凹槽13对之间 的距离不大于该电磁波的波长。
通过模拟可以验证，第十一优选实施例同样可以实现将该电磁波聚焦为其 尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑的效果。
同样，当该入射端11至少形成一个凹槽时，与该波传播鹏2耦合并通 过该波传播通路2传播后的电磁波的物理特性将发生变化。下面是例子。
如图24所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十二，实施例与第八 优选实施例的不同之处在于，第十二，实施例的主体lj在入射端llj进一步 形成了多个周期性分隔的凹槽13。每个凹槽13的内部尺寸都不大于该电磁波 的波长的一半。此外，每对相邻凹槽13之间的距离不大于该电磁波的波长。
在与对上述实施例执行的模拟类似的模拟中，^i正第十二雌实施例可以 实现将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑的效果。
在此，应该注意，在此公开的第^第十二 实施例的电磁波传播结构 也涉及4OT介质材料。例如，如图25所示，根据本发明的电磁波传播结构的第
十三，实施例的与第八 实施例的不同之处在于，包括透光介质层3，其 布置在主体If的入射端11上用于，主体lf、产生波导效果以及改^^ilil 该电磁波传播结构传播的电磁波的传播特性的。在该实施例中，该透光介质层
3由玻璃构成。通过模拟可以验i正，第十三 实施例也可以实现将该电磁波
聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑。
如图26所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十四 实施例与第一 雌实施例的不同之处在于，^A射端11到出射端12，第十四雌实施例的 波传播ffl^各2p的中心线延伸到主体lp的中心线(即，/AA射端11到出射端 12，每条中心线与中轴之间的距离逐渐减小)。
对于第十四iM实施例，通过栅格系统表示该模拟系统，该栅格系统具有 带有4 nm单位格我度的Yee空间点阵的600 X 600格子。在该模拟中，将主 体lp设置为在波传播方向(y)上的厚度(tip)为160nm (即，在波传播方向 (y)上，主体lp的入射端ll与出射端12之间的距离为160nm)。 ^h波传 播通路2p的内部部分23的内部尺寸(wl)为80 nm (gp，第一方向(x)上 的通路宽度为80nm)。 ^A射端11上，这两个波传播通路2p之间在第一方向(x)上的距离(dip)为240nm，而在出射端12上，这两^h波传播i1^ 2p之 间在第一方向(x)上的距离(dlp，)为200 nm。其他t莫拟参数与上面对第一 fte实施例公开的参数相同。
参考图26和图27，在时间=9.18时，在该电磁波通过这两个波传播il^各 2p传播后，z向磁场(Hz)被聚焦为其能量平均大小为0.376 X (或者FWHM 光斑大小为0.418入)的^S (幅值为1.159)，它小于该电磁波的波长的一半。 如图28所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十五,实施例与第十 四 实施例的不同之处在于，第十五ite实施例的主体lq在出射端12q进一 步形成至少一个凹槽13。该凹槽13的内部尺寸不大于通过该波传播通路2p传 播的电磁波的波长的一半，而且它与该波传播通路2的相邻之一分离开的距离 不大于该电磁波的波长。此外，在ilil第十五,实施例的波传播通路2p传播 的电磁波形成的聚焦光斑上发生"推移"、"挤压"或者"压縮"！^，以致再 一次减小该聚焦光斑的尺寸，而且在主体lq的出射端12q下面，该电磁波的传 播方向和能量分布发生变化。在该实施例中，为了示例目的，主体lq形成有一 个凹槽13。
通过模拟可以验证，第十五ite实施例也可以实现将该电磁波聚焦为其尺
寸小于该电磁波的波长的一半的光斑的效果。此外，该光斑不X^尔，因为存在 "挤压"或者"压縮"现象。
如图29所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十六 实施例与第十 四ttit实施例的不同之处在于，第十六 实施例的主体lr在出射端12r进一 步形成其中两个凹槽13。相对于主体lr的中轴，对称布置凹槽13，而且布置 该凹槽13，以在其间插入波传播通路2p。此外，该凹槽13用于挤压该聚焦光 斑。
M模拟可以验证，第十六 实施例可以实现与上面描述的效果相同的 效果，在第十六i^实施例中，将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长 的一半的光斑。
如图30所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十七 实施例与第十 四 实施例的不同之处在于，第十七,实施例的主体ls在出射端12s进一 步形成多个凹槽13。周期性地互相分隔布置凹槽13，而且每对相邻凹槽13之 间的距离不大于该电磁波的波长。
通^^莫拟可以^i正，第十七 实施例可以实现与上面描述的效果相同的
效果，在第十七 实施例中，将该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长 的一半的光斑。
同样，当该入射端至少形成一个凹槽时，与该波传播M耦合并M该波 传播通路传播后的电磁波的物理特性将发生变化。下面是例子。
如图31所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十八 实施例与第十 四优选实施例的不同之处在于，第十八,实施例的主体lt在入射端lit进一 步形成了多个周期性分隔的凹槽13。每个凹槽13的内部尺寸都不大于该电磁 波的波长的一半。此外，每对相邻凹槽13之间的距离不大于该电磁波的波长。 在该实施例中，与波传播鹏2t空间M的方式，分别布置其中两个凹槽13， 以致位于入射端lit的每个波传播通路2t的入射口 21t的内部尺寸都不小于位 于入射口 21t与出射口 22t之间的每个波传播iTO2t的内部部分23的内部尺寸。
aa模拟可以验证，与上述实施例相同，第十八优选实施例也可以实现将 该电磁波聚焦为其尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑的效果。
在此，应该注意，第十四至第十八,实施例的电磁波传播结构也涉及使所示，根据本发明的电磁波传播结构的第十九雌 实施例与第十四 实施例的不同之处在于，包括iS光介质层3，，置在主 体lp的入射端11上用于支承主体lp、产生波导效果以及改变要通过该电磁波 传播结构传播的电磁波的传播特性。在该实施例中，该透光介质层3由玻璃构 成。
通il^莫拟可以^i正，第十九 实施例也可以实现将该电磁波聚焦为其尺 寸小于该电磁波的波长的一半的光斑的效果。
如图33所示，根据本发明的电磁波传播结构的第二十优选实施例与第一 雌实施例的不同之处在于，第二十雌实施例的主体In在出射端12u上进一 步形成多个周期性分隔的凹槽13。每个凹槽13的内部尺寸都不大于该电磁波 的波长的一半。此外，每对相邻凹槽13之间的距离不大于该电磁波的波长。在 该实施例中，与波传播通路2u空间连通的方式，分别布置其中两个凹槽13， 以致每个波传播通路2u的出射口22u的内部尺寸都不小于相应的每个波传播通 路2u的内部部分23u的内部尺寸。此外，每个波传播通路2u的内部部分23u 的中心线平行于主体lu的中轴。在第一方向(x)，中心线与主体lu的中轴等距。此外，每个波传播通路2u的出射口22n相对于该波传播通路2u的相应之 一的内部部分23u的中心线)(^尔。设置^凹槽13的内部尺寸和深度以及该凹 槽13中的相邻凹槽之间的距离至少之一，以致该电磁波通过这两个波〗专播fflS各 2u传播后，从这两个波传播ffl^各2u出来的场在主体lu的中轴附近被叠加，而 且继缘沿该中轴传播，而且在该传播过程中，育譴分布基本保持不变。换句话 说，形皿准直光束，其发散角非常接近0。
同样，禾鹏时域有限差分方法(FDTO)，对第二十 实施例进行模拟。 对于第二十雌实施例，该模拟系统具有带有4腦单位格子长度的Yee空间 点阵的600X600格子。原点位于索引(Ix， Iy) =(1500,2500)。该电磁波的波长 为633nm。主体lu的厚度(tlu)为240nm (即，主体lu的入射端11和出射 端12u分别位于(Iy=2520)和(Iy=2461))。旨波传播M^各2u的宽度(wlu) 分别为40nm,而这两个波传播通路2u之间的距离(dlu)为440nm。每个凹 槽13的深度(t2u)为80nm，宽度(w2u)为240nm。此外，每对相邻凹槽13 之间的距离(d3u)为240nm。此外，在该fil格系乡li:，电磁波源位于(Iy=2900), 而该电磁波以减小的(Iy)值在第二方向(y)传播。分别在第一方向(x)和
第三方向(Z)极化该电场和磁场，然后，将它们标准化为统一。为了将数值反
射(numerical reflection)禾口错误降低到最小，围敏体lu的中心，位于駐体 lu的上半部分的模拟系统的第一方向(x)的两个边界是周期性的，而将所有 其他边界设置为完全匹配层吸收边界条件(Perfectly Matched Layer Absorbing Boundaiy Condictions)。将该时间标准化为 波传播 &2u传播的电磁波的 周肌而且该模拟中的时间步长(dt)是0.004。
参考图34，在时间=30.0时，在该电磁波通腿两个波传播鹏2u传播 后，对于比该电磁波的波长大10倍的距离，在具有基本固定幅值的情况下，z 向磁场(Hz)离开主体lu的出射端12u继续作为超准直光束向下传播。
如图35所示，根据本发明的电磁波传播结构的第二十一 实施例与第 二十 实施例的不同之处在于，主体lv的入射端llv和出射端12u都形成了 凹槽13，以致^波传播通路2v的入射口 2W和出射口 22u的内部尺寸都不 小于相应的波传播通路2v之一的内部部分23u的内部尺寸。在该实施例中，在 第一方向(x)，相对于主体lv的纵轴，对称布置入射端llv上的凹槽13和出 射端12u上的凹槽13
通过模拟可以^t正，禾,波传播通路2v， aai体iv传播后，在具有基
本固定幅值的情况下，该电磁波离开主体lv的出射端12u继续作为超准1^;束 向下传播。此外，该电磁波通过第二十一，^例的波传播自2v传播后的 强度大于通过第二十优选实施例的波传播通路2u传播后的强度。
在此，应该注意，第二十和第二十一 实施例的电磁波传播结构也涉及 f顿介质材料。例如，如图36所示，根据本发明的电磁波传播结构的第二十二 实施例进一步包括透光介质层3，其布置在主体lu的入射端11上用于支 承主体lu、产生波导效果以及改变要通过该电磁波传播结构传播的电磁波的传 播特性。在该实施例中，该透光介质层3由玻璃构成。
通过模拟可以验证，第二十二iW实施例可以与第二十,实施例实现相
同的效果，在第二十二雌实施例中，该电磁波经迚波传播鹏2u，通胜体 lu传播后，在保持固定幅值的同时，该电磁波离开主体lu的出射端12u继续 作为超准直光束向下传播。
匕应该注意，旨波传播通路2的入射口21、出射口22以及内部部 分23的尺寸都是用于控制通过波传播通路2传播的电磁波的发散角和衍l^寺性 的因数。此外，在电磁波通过包括本发明的电磁波传播结构的系统传播期间， 构成主体1的材料以及存在介质层3也影响该电磁波的纟艘变化。因此，可以 根据特定应用的要求，调节和确定所有这些因数，以实现最期望的效果。
参考图37，本发明的电磁波传播结构适合应用于包括波皿模±央和波接收 模块的电磁波传播系统，具有某个波长的电磁波适合在波传播方向从该波， 模块传播。在第一至第十九优选实施例的电磁波传播结构设置在波^t模块与 波接收模±央之间时，经过波传播 通过电磁波传播结构从波皿模±刺专播到 波接收模块的电磁波被聚焦为其光斑尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑。 另一方面，在第二十至第二十二 实施例的电磁波传播结构设置在波皿模 块与波接收模块之间时，经过波传播ffi^各通过电磁波传播结构从波皿模i^f专 播的电磁波继续作为超准直光束向波接收模块传播。
本技术领域内的技术人员明白，可以将第一至第十九,实施例的电磁波 传播结构与波^lt模i，成在一起形a斑发生器，用于将电磁波聚焦为其光 斑尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑。同样，可以将第二十至第二十二优 选实施例的电磁波传播结构与波皿模±，成在一起，以形成光束发生器，用
于由电磁波产生超准直光束。
;Xi:面的描述和模拟结果可以看出，根据本发明的电磁波传播结构适合各 种应用，例如，光学、半导体以及生物技术行业。本发明在光刻处理中的应用 可以产生更精细、更精密的点、线和电路。此外，本发明提高了光学系统的分 辨率和精度，将光学系统与电路连接在一起，在生物医学成像业，本发明可以
应用于子波长高分辨率显微镜；本发明可以应用于更精确检测；改变并控制生 物、化学以及物理系统的结构、特征和动力学；在光存储业，本发明产生并读 取更小的光记录点；本发明将光挤压为其尺寸小于该光的波长的光路；等等。 本发明劍共的超准直光束适合要求电磁波束在传播期间没有发散的应用。此外， 本发明还可以使电磁波被聚焦后显著发散，因此，适合例如在发光二极管中要 求扩大视角的应用。减小和增大子波长光场可以应用于光学计算和控制。此外， 各种波长电磁波的选择性可以应用于滤波。
总之，利用时域有限差分(FDTD)方法可以验i正，本发明成功建立了一 种电磁波传播结构，该电磁波传播结构适合在电磁波通过其传播后产生高强度 子波长聚焦光斑，而且它具有可以使该电磁波,衍射极限以减小该聚焦^%
尺寸的出射结构，从而有效提高包括了本发明的电磁波传播结构的光学系统的 微率和精度。
尽管结合最切实的 实施例描述了本发明，但是应该明白，本发明并不 局限于所公开的实施例，应该认为，它包括落A^T泛解释的实质范围内的各 种布置，从而包括所有这^f彦改和等效布置。
权利要求
1.一种适合用在包括波发射模块和波接收模块的电磁波传播系统中的电磁波传播结构，具有波长的电磁波由该波发射模块适合在波传播方向传播，所述电磁波传播结构包括主体，其具有能够阻止该电磁波传播的表面，而且它包括入射端和在该波传播方向相对所述入射端的出射端，所述主体形成有两个波传播通路，这两个波传播通路互相之间分隔一段距离，该距离不大于该电磁波的波长，每个所述波传播通路从所述入射端延伸到所述出射端，和具有不大于该电磁波波长一半的内部尺寸；以及其中，所述电磁波传播结构适合使电磁波通过所述波传播通路从该波发射模块向该波接收模块传播，以将它聚焦为光斑，该光斑的光斑尺寸小于该电磁波波长一半。
2. 根据权利要求i戶腿的电磁波传播结构，其中，戶;Mi條该波传播方向限定中轴，每个所述波传播通路在0M主体的所^A射瑞具有入射口，在所述主体的所述出射端具有出射口，和在所^A射口与出射口之间延伸的 内部部分，该内部部分限定平行于该中轴的中心线，而且其内部尺寸不大于所^A射口的内部尺寸，每个所述波传播通路的所述出射口不相对于相应的 所述波传播通路之一的中心线对称。
3. 根据权利要求2戶舰的电磁波传播结构，其中，在该中心线附近，每 个所述波传播鹏的所述出射口具有第一半部分和第二半部分，所述第一半 部分靠近所述主体的中轴，所述第二半部分远离该中轴，所述第一半部分的 尺寸大于所述第二半部分的尺寸。
4. 根据权利要求2戶脱的电磁波传播结构，其中，戶脱波传播通路的所 述出射口互相直接空间连通。
5. 根据权利要求1戶腿的电磁波传播结构，其中，戶脱主條该波传播 方向确定中轴，每个所述波传播通路确定从所述入射端向所述出射端，向该 中轴延伸到的中心线。
6. 根据权利要求1戶腿的电磁波传播结构，其中，在所述出射端，戶舰主体进一步形成有至少一个凹槽，该凹槽的内部尺寸不大于该电磁波波长的 一半，而且它与所述波传播通路之一分隔开的距离不大于该电磁波的波长。
7. 根据权禾腰求1戶腿的电磁波传播结构，其中，在戶雄出射端，戶腿 主体进一步形成有多个凹槽，每个所述凹槽的内部尺寸均不大于该电磁波波 长的一半，所述凹槽中相邻凹槽互相分隔开的距离不大于该电磁波的波长。
8. 根据权利要求1戶腿的电磁波传播结构，其中，在戶;f^A射端，所述 主体进一步形成有至少一个凹槽，该凹槽的内部尺寸不大于该电磁波的波长 的一半。
9. 根据权利要求i戶腿的电磁波传播结构，其中，在戶; MA射端，戶腿 主体进一步形成有多个凹槽，#^所述凹槽的内部尺寸均不大于该电磁波波 长的一半，所述凹槽中相邻凹槽互相分隔开的距离不大于该电磁波的波长。
10. 根据权利要求1戶脱的电磁波传播结构，进一步包括布置在戶腿主体的所述入射端上的透光介质层。
11. 根据权利要求1所述的电磁波传播结构，其中，由提高该电磁波 透射的材料构成的通路面确定每个所述波传播通路。
12. 根据权利要求11戶脱的电磁波传播结构，其中，戶满波传播鹏 的所述通路面是金属制造的。
13. —种适合用在包括波发射,莫块的电磁波传播系统中的电磁波传播 结构，具有波长的电磁波从该波划寸模块适合在波传播方向传播，戶腿电磁波传播结构包括主体，其具有能够卩lih该电磁波传播的表面，而且它包括入射端和在该 波传播方向相对所^A射端的出射端，所述主体形成有两个波传播通路，这两个波传播通路互相之间分隔开的距离不大于该电磁波的波长，每个戶;M波传播通路从所^A射端向所述出射端延伸，而且其内部尺寸不大于该电磁波波长的一半；以及其中，戶; ^t條该波传播方向确定中轴，每个戶腿波传播通路在戶腿主体的所^A射端具有入射口，在所述主体的所述出射端具有出射口，和在所述入射口与出射口之间延伸的内部部分，该内部部分确定平行于该中轴的 中心线，而且其内部尺寸不大于所述出射口的内部尺寸，所述波传播通路的 所述内部部分相对于该中轴对称，每个戶，波传播通路的所述出射口相对于相应的所述波传播通路之一的中心线对称；其中，在戶诚出射端上，所述主体进一步形成有多个周期性布置的凹槽， 每个所述凹槽的内部尺寸均不大于该电磁波的波长的一半，所述凹槽中相邻 凹槽互相之间分隔开的距离不大于该电磁波的波长；以及其中，设置每个所述凹槽的内部尺寸和深度以及阮述凹槽中相邻凹槽之 间的距离中至少之一，这样所述电磁波传播结构适合使电磁波通过所述波传 播通路从该波皿模±央传播，以在该中轴附近叠加并继续作为超准直光束传 播。
14. 一种用于在波接收模块将以波传播方向从波发射模±央传播的电磁 波聚焦为光斑的方法，该方^^括步骤在该波鄉模块与该波接收模±央之间设置电磁波传播结构，该电磁波传 播结构包括主体，其具有倉辦阻止该电磁波传播的表面，而且它包括入射 端和在该波传播方向相对该入射端的出射端，该主体形成有两个波传播通路， 这两个波传播通路互相之间分隔开的距离不大于该电磁波的波长，每个波传 播通路从该入射端向该出射端延伸，而且其内部尺寸不大于该电磁波波长的 一半；以及其中，经过该波传播m，通过该电磁波传播结构从该波Mt模块向该 波接收模块传播的电磁波被聚焦为光斑，该光斑的光斑尺寸小于该电磁波波 长一半。
15. 根据权利要求14戶皿的方法，其中，该电磁波传播结构的主，该波传播方向确定中轴，每个波传播通路在该主体的入射端具有入射口，在 该主体的出射端具有出射口，和在该入射口与出射口之间延伸的内部部分， 该内部部分确定平行于该中轴的中心线，而且其内部尺寸不大于该入射口的内部尺寸，每4i^传播通路的出射口不相对于相应的该波传播通路之一的中心线对称。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中，在该中心线附近，每个波传 播通路的出射口分别具有第一半部分和第二半部分，该第一半部分靠近该主 体的中轴，该第二半部分远离该中轴，该第一半部分的尺寸大于该第二半部 分的尺寸。
17. 根据权利要求15戶脱的方法，其中，该波传播3I^各的出射口互相 直接空间M。
18. 根据权利要求14所述的方法，其中，该电磁波传播结构的主條 该波传播方向确定中轴，每个波传播通路确定从该入射端到该向出射端，向 着该中轴延伸的中心线。
19. 根据权利要求14戶脱的方法，其中，在该出射端，该电磁波传播 结构的主体进一步形成有至少一个凹槽，该凹槽的内部尺寸不大于该电磁波 波长的一半，而且它与该波传播通路之一分隔开的距离不大于该电磁波的波 长。
20. 根据权利要求14所述的方法，其中，在该出射端，该电磁波传播 结构的主体进一步形成有多个凹槽，每个凹槽的内部尺寸均不大于该电磁波 波长的一半，该凹槽中相邻凹槽互相分隔开的距离不大于该电磁波的波长。
21. 根据权利要求14戶腿的方法，其中，在駄射端，该电磁波传播 结构的主体进一步形成有至少一个凹槽，该凹槽的内部尺寸不大于该电磁波 波长的一半。
22. 根据权利要求14戶满的方法，其中，在i^A射端，该电磁波传播 结构的主体进一步形成有多个凹槽，每个凹槽的内部尺寸均不大于该电磁波波长的一半，该凹槽中相邻凹槽互相分隔开的距离不大于该电磁波的波长。
23. 根据权禾腰求14戶腿的方法，其中，该电磁波传播结构进一步包 括布置在该主体的入射端上的透光介质层。
24. —种用于由在波传播方向从波^t模i^j专播的电磁波产生准直光 束的方法，所述方法包括步骤樹共电磁波传播结构，该电磁波传播结构包括主体，其包括能够P耻该电磁波传播的表面，而且它包括入射端和在该波传播方向相对该/^射端的 出射端，该主体形成有两个波传播通路，这两个波传播通路互相之间分隔开 的距离不大于该电磁波的波长，每个波传播通路从该入射端延伸到该出射端，而且其内部尺寸不大于该电磁波波长的一半；以及其中，该主1tt该波传播方向确定中轴，每个波传播通路在该主体的入 射端具有入射口，在该主体的出射端具有出射口，和在i!A射口与出射口之 间延伸的内部部分，该内部部分确定平行于该中轴的中心线，而且其内部尺 寸不大于该入射口的内部尺寸，该波传播通路的内部部分相对于该中轴X^尔，每^h波传播通路的出射口相对于相应的该、波传播M^之一的中心线对称；以 及其中，在该出射端，该主体进一步形成有多个周期性布置的凹槽，每个 凹槽的内部尺寸均不大于该电磁波波长的一半，该凹槽中相邻凹槽互相分隔 开的距离不大于该电磁波的波长；以及其中，设置每个凹槽的内部尺寸和深度以及该凹槽中相邻凹槽之间的距 离中至少之一，这样该电磁波传播结构使电磁波通过该波传播通路从该波发 射模±刺专播，以在该中轴附近叠加并继续作为超准直光束传播。
25.—种光斑发生器，包括波，模块，具有波长的电磁波适合由此在波传播方向传播；以及 电磁波传播结构，包括主体，其具有能够卩且止该电磁波传播的表面， 而且它包括入射端和在该波传播方向相对戶满入射端的出射端，所胜体形 成有两个波传播通路，这两个波传播通路互相之间分隔开的距离不大于该电磁波的波长，每个戶脱波传播通路从所駄射端延伸到所述出射端，而且其内部尺寸不大于该电磁波波长的一半；以及其中，fM电磁波传播结构使电磁波通过戶诚波传播鹏从戶舰波鄉 模土刺专播，以将它聚焦为光斑，该光斑的光斑尺寸小于该电磁波波长的一半。
26. —种光束发生器，包括波 模块，具有波长的电磁波适合由此在波传播方向传播；以及 电磁波传播结构，包括主体，其具有倉滩ffiih该电磁波传播的表面， 而且它包括入射端和在该波传播方向相对所述入射端的出射端，所述主体形 成有两个波传播通路，这两个波传播通路互相之间分隔开的距离不大于该电 磁波的波长，每个戶皿波传播通路M^^A射端延伸到所述出射端，而且其 内部尺寸不大于该电磁波波长的一半；以及其中，戶脱电磁波传播结构的戶腿主條该波传播方向确定中轴， 戶皿波传播通路在所述主体的所述入射端具有入射口 ，在所述主体的所述出 射端具有出射口，和在所述入射口与出射口之间延伸的内部部分，该内部部分确定平行于该中轴的中心线，而且其内部尺寸小于所述出射口的内部尺寸，戶，波传播通路的所述内部部分相对于该中轴对称，每个所i^波传^W的所述出射口相对于相应的所述波传播通路之一的中心线对称；其中，在所述出射端，所述电磁波传播结构的所述主体进一歩形成有多 个周期性布置的凹槽，每个所述凹槽的内部尺寸均不大于该电磁波波长的一 半，所述凹槽中相邻凹槽互相分隔开的距离不大于该电磁波的波长；以及 其中，设置^胸丞凹槽的内部尺寸和深度以及所述凹槽中相邻凹槽之间的距离中至少之一，这样所述电磁波传播结构使该电磁波aai所述波传播通路从戶，波^lt模i^(专播，以在所述中轴附近叠加并继续作为超准直光束传播。
全文摘要
本发明公开了一种电磁波传播结构，其包括主体，该主体具有能够阻止该电磁波传播的表面，该主体包括入射端和在该波传播方向对着该入射端的出射端。该主体形成了两个波传播通路，这两个波传播通路互相之间分隔开的距离不大于该电磁波的波长。每个波传播通路均从该入射端延伸到该出射端，而且其内部尺寸不大于该电磁波的波长的一半。该电磁波传播结构适合使电磁波通过该波传播通路传播，以将它聚焦为其光斑尺寸小于该电磁波的波长的一半的光斑。
文档编号G02B27/00GK101359094SQ20081008700
公开日2009年2月4日 申请日期2008年3月25日 优先权日2007年7月31日
发明者陈宽任 申请人:陈宽任