專利名稱：一種激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納光學(xué)、應(yīng)用光學(xué)和衍射光學(xué)交叉技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種激光器，尤其是出射端面集成有光柵-菲涅爾透鏡復(fù)合結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)聚焦的半導(dǎo)體激光器。
背景技術(shù)：
具有出射光束自聚焦功能的半導(dǎo)體激光器在光存儲(chǔ)，激光加工及光探針測(cè)量領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景。哈佛大學(xué)的Nanfang Yu等人在量子級(jí)聯(lián)激光器出射端面的一側(cè)加工了帶有二元周期凹槽結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱金膜，使得紅外波段激光的發(fā)散角顯著降低。西北大學(xué)的Dibyendu Dey等人在量子激光器出射端面集成了金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)，在出射端面表面實(shí)現(xiàn)了 4000倍入射光強(qiáng)度的聚焦光斑。由于焦距只有幾十納米，不能滿足遠(yuǎn)場(chǎng)聚焦的需求。賓西法尼亞州立大學(xué)的Chuan Yang等人將鋸齒型光柵-菲涅爾混合透鏡設(shè)計(jì)在光路系統(tǒng)中來(lái)實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)聚焦和分光功能，混合透鏡采用BK7玻璃制成。由于設(shè)計(jì)采用點(diǎn)光源，不適合與激光器一體化集成，且其聚焦方式為離軸式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種高集成度的亞波長(zhǎng)聚焦激光器。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 一種激光器，包括激光出射端面，其特征在于出射端面為光柵和菲涅爾透鏡的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選的是所述光柵為環(huán)形光柵。在上述任一方案中優(yōu)選的是所述光柵周期為激光波長(zhǎng)的O. 5 5倍。在上述任一方案中優(yōu)選的是所述光柵由半導(dǎo)體材料制成。在上述任一方案中優(yōu)選的是所述半導(dǎo)體材料為硅、氮化硅、砷化鎵或氮化鎵中的一種。在上述任一方案中優(yōu)選的是所述光柵由金屬材料制成。在上述任一方案中優(yōu)選的是所述金屬材料為金、銀、鋁或鈦中的一種。在上述任一方案中優(yōu)選的是所述光柵為凹槽結(jié)構(gòu)、狹縫結(jié)構(gòu)、狹縫結(jié)構(gòu)或鋸齒結(jié)構(gòu)中的一種。在上述任一方案中優(yōu)選的是所述菲涅爾透鏡在工作波段為透光介質(zhì)材質(zhì)。在上述任一方案中優(yōu)選的是所述透光介質(zhì)材質(zhì)為二氧化硅、融石英或聚甲基丙烯酸甲酯中的一種。在上述任一方案中優(yōu)選的是所述菲涅爾透鏡為表面是連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)或二元臺(tái)階結(jié)構(gòu)或多臺(tái)階結(jié)構(gòu)的透鏡。在上述任一方案中優(yōu)選的是所述菲涅爾透鏡為同心圓結(jié)構(gòu)或平行結(jié)構(gòu)。在上述任一方案中優(yōu)選的是所述激光器為半導(dǎo)體激光器。
在上述任一方案中優(yōu)選的是還包括激光諧振腔，出射端面為激光諧振腔的外表面。本文采用光柵與透鏡材料不同的雙層結(jié)構(gòu)，提出出射端面集成有光柵-菲涅爾復(fù)合結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)聚焦激光器。本發(fā)明可在光軸上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)亞波長(zhǎng)聚焦。根據(jù)預(yù)設(shè)焦距設(shè)計(jì)菲涅爾透鏡，將光柵周期與工作波長(zhǎng)相匹配，通過(guò)對(duì)光柵厚度和占空比的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在低深寬比加工要求的同時(shí)獲得較好的聚焦效果。選擇IC工藝常見(jiàn)的硅和二氧化硅作為端面復(fù)合結(jié)構(gòu)集成的材料，使雙層結(jié)構(gòu)的微光學(xué)元件加工方法與標(biāo)準(zhǔn)集成電路加工工藝間具有良好的工藝兼容性，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體激光器的集成，得到具有光束整形能力的一體化激光器。激光器一體化結(jié)構(gòu)，可以使得這種激光器在激光直寫，光探針檢測(cè)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面具有良好的應(yīng)用效果。本發(fā)明的有益效果是由于本發(fā)明采用了出射端面上加工有光柵、菲涅爾透鏡的復(fù)合結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，根據(jù)光柵的散射對(duì)等效數(shù)值孔徑的提高作用和菲涅爾透鏡對(duì)光的匯聚作用，因此具有體積小、集成度高的特點(diǎn)；實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨、長(zhǎng)焦深聚焦；具有抗波長(zhǎng)擾動(dòng)能力，能實(shí)現(xiàn)帶通功能，消除非目標(biāo)波長(zhǎng)的影響。


圖I是按照本發(fā)明的亞波長(zhǎng)聚焦激光器的一優(yōu)選實(shí)施例中光柵-菲涅爾透鏡復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖I所示實(shí)施例中端面集成有光柵-菲涅爾復(fù)合結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)聚焦激光器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖I所示實(shí)施例中波長(zhǎng)為500nm的光經(jīng)過(guò)光柵-菲涅爾透鏡復(fù)合結(jié)構(gòu)聚焦結(jié)果圖。圖4是圖I所示實(shí)施例中波長(zhǎng)為500nm的光經(jīng)過(guò)光柵-菲涅爾透鏡復(fù)合結(jié)構(gòu)聚焦后，在X軸和Y軸方向的強(qiáng)度分布圖。圖5是圖I所示實(shí)施例中相對(duì)半高寬與波長(zhǎng)的關(guān)系示意圖。圖中1.菲涅爾透鏡、2.光柵、3.激光器、4.出射端面與復(fù)合結(jié)構(gòu)之間的二氧化硅。
具體實(shí)施例方式在波長(zhǎng)2=500勝《的激光器3出射端面加工光柵-菲涅爾透鏡復(fù)合結(jié)構(gòu)。(I)在激光器出射端面集成有環(huán)形光柵2。先在激光器出射端面沉積一層二氧化硅4，刻蝕得到環(huán)狀二氧化硅4 ;在二氧化硅4上沉積硅，得到硅光柵2。(2)環(huán)形光柵2 mnd = Χμη ,光柵占空比A =50%,即s=500/ ，激光器3出射端面直徑D =50,。(3)上述光柵2利用硅制備。(4)上述光柵2為凹槽結(jié)構(gòu)，硅光柵2的厚度為=250—, hl=125—。
(5)菲涅爾透鏡I利用二氧化硅制備，h2=375備，/ =15^,/7=1. 5。對(duì)硅光柵2表面進(jìn)行化學(xué)拋光；在硅光柵2平面上沉積二氧化硅，經(jīng)過(guò)刻蝕得到菲涅爾透鏡I。根據(jù)光柵2的散射對(duì)等效數(shù)值孔徑的提高作用和菲涅爾透鏡I對(duì)光的匯聚作用，激光器3出射的光通過(guò)復(fù)合結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)亞波長(zhǎng)聚焦。通過(guò)對(duì)微光學(xué)元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將光柵2周期與工作波長(zhǎng)相匹配，根據(jù)預(yù)設(shè)焦距設(shè)計(jì)菲涅爾透鏡1，調(diào)整光柵2厚度和占空t匕，在滿足低深寬比設(shè)計(jì)的同時(shí)獲得較好的聚焦效果。選擇IC工藝常見(jiàn)的硅和二氧化硅作為端面復(fù)合結(jié)構(gòu)集成的材料，由于上述元件的加工工藝與IC加工工藝兼容性很好，從而可以將光柵2和菲涅爾透鏡I兩種微結(jié)構(gòu)加工在激光器3出射端面上，從而得到高集成度的亞波長(zhǎng)聚焦激光器。并且硅的折射率虛部在可見(jiàn)光波段幾乎為零，在紫外波段增大，因而對(duì)光波有低通作用。
光柵由半導(dǎo)體材料制成，優(yōu)選為硅、二氧化硅、氮化硅、砷化鎵或氮化鎵中的一種或多種的組合
在另一種優(yōu)選的技術(shù)方案中，光柵可以由金屬制成，金屬可以是金、銀、鋁或鈦中的一種或多種的組合。菲涅爾透鏡優(yōu)選為透光介質(zhì)材質(zhì)構(gòu)成，優(yōu)選為二氧化硅、融石英或聚甲基丙烯酸甲酯中的一種。對(duì)波長(zhǎng)為500nm入射光經(jīng)過(guò)光柵-菲涅爾透鏡復(fù)合結(jié)構(gòu)的仿真研究顯示，如圖3所示，焦點(diǎn)的最大強(qiáng)度為入射光強(qiáng)度的16. 572倍，焦距是14. 871蘆氣半高寬為238nm，一級(jí)衍射級(jí)次的位置是±7. 9301/肌從結(jié)果看出，復(fù)合結(jié)構(gòu)同時(shí)具有分光與聚焦的功能。當(dāng)光線通過(guò)光柵2，一級(jí)衍射級(jí)次的強(qiáng)度明顯小于O級(jí)衍射級(jí)次的強(qiáng)度。根據(jù)光柵方程，一級(jí)衍射級(jí)次的發(fā)散角為30度。根據(jù)仿真得到的焦距，代入計(jì)算得到，第一衍射級(jí)次在X方向的位置為±8· 66,,與通過(guò)電磁場(chǎng)的時(shí)域有限差分方法(FDTD)仿真的結(jié)果對(duì)比，存在略微區(qū)別的原因在于在亞波長(zhǎng)尺寸上光柵方程以及菲涅爾公式的近似程度降低，衍射光學(xué)逐漸取代幾何光學(xué)相關(guān)理論而占主導(dǎo)作用。本文所設(shè)計(jì)的端面加工有復(fù)合結(jié)構(gòu)的激光器3具有一定的抗波長(zhǎng)擾動(dòng)能力。通過(guò)時(shí)域有限差分方法(FDTD)仿真得到目標(biāo)波長(zhǎng)附近其它波長(zhǎng)的入射光通過(guò)光柵-菲涅爾透鏡復(fù)合結(jié)構(gòu)的結(jié)果，表I為470nm, 480nm, 490nm, 500nm, 510nm, 520nm, 530nm波長(zhǎng)的入射光通過(guò)所設(shè)計(jì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的最大光強(qiáng)、焦距、焦深和半高寬，本文對(duì)焦深定義為焦點(diǎn)沿y軸最大光強(qiáng)值1/2的兩點(diǎn)的距離。這里定義相對(duì)半高寬為FWHM/I,計(jì)算結(jié)果如圖4所示。表I不同波長(zhǎng)的入射光的聚焦情況
液￥(納米)|最大光強(qiáng)I焦距(微米)I焦深(微米)I半高寬(納米)I相對(duì)半高寬
470_ 15.2816.26_0_86_221_O. 47_
48013.9515.66^ 0.812150.45 —
49019.2415. 10_ O. 792170.44 —
50026.3614. 57^ O. 782200.44 —
51034.3514.08_ O. 782250.44 —
52024.9213. 59^ O. 782300.44 —
530|l4.55| 3· 12|θ. 78丨233|θ· 44 —
對(duì)于波長(zhǎng)為600nm的入射光，通過(guò)光柵-菲涅爾透鏡復(fù)合結(jié)構(gòu)之后，通過(guò)時(shí)域有限差分
方法(FDTD)仿真，發(fā)現(xiàn)發(fā)生了明顯的散射作用，入射光在經(jīng)過(guò)光柵-菲涅爾透鏡復(fù)合結(jié)構(gòu)之后沒(méi)有實(shí)現(xiàn)聚焦。對(duì)于波長(zhǎng)為400nm的入射光，通過(guò)光柵-菲涅爾透鏡復(fù)合結(jié)構(gòu)之后，通過(guò)時(shí)域有限差分方法(FDTD)仿真，發(fā)現(xiàn)后場(chǎng)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)聚焦，但是光斑能量急劇下降，其原因在于硅對(duì)紫外光波段的折射率的虛部較大，因而對(duì)紫外光的吸收作用明顯。
根據(jù)對(duì)低頻波段的散射作用以及對(duì)高頻波段的吸收作用，激光器端面復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)目標(biāo)波段具有帶通作用。
權(quán)利要求
1.一種激光器，包括激光出射端面，其特征在于出射端面為光柵和菲涅爾透鏡的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光器，其特征是所述光柵為環(huán)形光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的激光器，其特征是所述光柵周期為激光波長(zhǎng)的O.5 5倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的激光器，其特征是所述光柵由半導(dǎo)體材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光器，其特征是所述半導(dǎo)體材料為硅、二氧化硅、氮化硅、砷化鎵或氮化鎵中的一種或多種的組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的激光器，其特征是所述光柵由金屬材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光器，其特征是所述金屬材料為金、銀、鋁或鈦中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光器，其特征是所述光柵為凹槽結(jié)構(gòu)、狹縫結(jié)構(gòu)、狹縫結(jié)構(gòu)或鋸齒結(jié)構(gòu)中的一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光器，其特征是所述菲涅爾透鏡在工作波段為透光介質(zhì)材質(zhì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的激光器，其特征是所述透光介質(zhì)材質(zhì)為二氧化硅、融石英或聚甲基丙烯酸甲酯中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光器，特別是端面集成有光柵-菲涅爾復(fù)合結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)聚焦激光器，屬于微納光學(xué)、應(yīng)用光學(xué)和衍射光學(xué)交叉技術(shù)領(lǐng)域。該激光器包括半導(dǎo)體激光器和加工在端面上的光束整形結(jié)構(gòu)，其端面具有微結(jié)構(gòu)，構(gòu)成光柵、菲涅爾透鏡的復(fù)合結(jié)構(gòu)。該激光器具有體積小、集成度高的特點(diǎn)，同時(shí)具有遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)超分辨、長(zhǎng)焦深的聚焦效果，具有抗波長(zhǎng)擾動(dòng)能力，能實(shí)現(xiàn)帶通功能，消除非目標(biāo)波長(zhǎng)的影響。
文檔編號(hào)H01S5/10GK102868087SQ201210371710
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者金鵬, 馬龍, 林杰, 譚久彬 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)