本发明专利技术涉及激光器，特别是端面集成有光栅-菲涅尔复合结构的亚波长聚焦激光器，属于微纳光学、应用光学和衍射光学交叉技术领域。该激光器包括半导体激光器和加工在端面上的光束整形结构，其端面具有微结构，构成光栅、菲涅尔透镜的复合结构。该激光器具有体积小、集成度高的特点，同时具有远场实现超分辨、长焦深的聚焦效果，具有抗波长扰动能力，能实现带通功能，消除非目标波长的影响。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微纳光学、应用光学和衍射光学交叉
，主要涉及一种激光器，尤其是出射端面集成有光栅-菲涅尔透镜复合结构的亚波长聚焦的半导体激光器。
技术介绍
具有出射光束自聚焦功能的半导体激光器在光存储，激光加工及光探针测量领域有着重要应用前景。哈佛大学的Nanfang Yu等人在量子级联激光器出射端面的一侧加工了带有二元周期凹槽结构的非对称金膜，使得红外波段激光的发散角显著降低。西北大学的Dibyendu Dey等人在量子激光器出射端面集成了金属-介质-金属结构，在出射端面表面实现了 4000倍入射光强度的聚焦光斑。由于焦距只有几十纳米，不能满足远场聚焦的需求。宾西法尼亚州立大学的Chuan Yang等人将锯齿型光栅-菲涅尔混合透镜设计在光路系统中来实现亚波长聚焦和分光功能，混合透镜采用BK7玻璃制成。由于设计采用点光源，不适合与激光器一体化集成，且其聚焦方式为离轴式。
技术实现思路
本专利技术提供了一种高集成度的亚波长聚焦激光器。本专利技术的目的是这样实现的 一种激光器，包括激光出射端面，其特征在于出射端面为光栅和菲涅尔透镜的复合结构。 优选的是所述光栅为环形光栅。在上述任一方案中优选的是所述光栅周期为激光波长的O. 5 5倍。在上述任一方案中优选的是所述光栅由半导体材料制成。在上述任一方案中优选的是所述半导体材料为硅、氮化硅、砷化镓或氮化镓中的一种。在上述任一方案中优选的是所述光栅由金属材料制成。在上述任一方案中优选的是所述金属材料为金、银、铝或钛中的一种。在上述任一方案中优选的是所述光栅为凹槽结构、狭缝结构、狭缝结构或锯齿结构中的一种。在上述任一方案中优选的是所述菲涅尔透镜在工作波段为透光介质材质。在上述任一方案中优选的是所述透光介质材质为二氧化硅、融石英或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。在上述任一方案中优选的是所述菲涅尔透镜为表面是连续浮雕结构或二元台阶结构或多台阶结构的透镜。在上述任一方案中优选的是所述菲涅尔透镜为同心圆结构或平行结构。在上述任一方案中优选的是所述激光器为半导体激光器。在上述任一方案中优选的是还包括激光谐振腔，出射端面为激光谐振腔的外表面。本文采用光栅与透镜材料不同的双层结构，提出出射端面集成有光栅-菲涅尔复合结构的亚波长聚焦激光器。本专利技术可在光轴上实现远场亚波长聚焦。根据预设焦距设计菲涅尔透镜，将光栅周期与工作波长相匹配，通过对光栅厚度和占空比的优化设计，在低深宽比加工要求的同时获得较好的聚焦效果。选择IC工艺常见的硅和二氧化硅作为端面复合结构集成的材料，使双层结构的微光学元件加工方法与标准集成电路加工工艺间具有良好的工艺兼容性，从而实现复合结构与半导体激光器的集成，得到具有光束整形能力的一体化激光器。激光器一体化结构，可以使得这种激光器在激光直写，光探针检测，数据存储等方面具有良好的应用效果。本专利技术的有益效果是由于本专利技术采用了出射端面上加工有光栅、菲涅尔透镜的复合结构的半导体激光器，根据光栅的散射对等效数值孔径的提高作用和菲涅尔透镜对光的汇聚作用，因此具有体积小、集成度高的特点；实现了远场超分辨、长焦深聚焦；具有抗波长扰动能力，能实现带通功能，消除非目标波长的影响。 附图说明图I是按照本专利技术的亚波长聚焦激光器的一优选实施例中光栅-菲涅尔透镜复合结构示意图。图2是图I所示实施例中端面集成有光栅-菲涅尔复合结构的亚波长聚焦激光器结构示意图。图3是图I所示实施例中波长为500nm的光经过光栅-菲涅尔透镜复合结构聚焦结果图。图4是图I所示实施例中波长为500nm的光经过光栅-菲涅尔透镜复合结构聚焦后，在X轴和Y轴方向的强度分布图。图5是图I所示实施例中相对半高宽与波长的关系示意图。图中1.菲涅尔透镜、2.光栅、3.激光器、4.出射端面与复合结构之间的二氧化硅。具体实施例方式在波长2=500勝《的激光器3出射端面加工光栅-菲涅尔透镜复合结构。(I)在激光器出射端面集成有环形光栅2。先在激光器出射端面沉积一层二氧化硅4，刻蚀得到环状二氧化硅4 ;在二氧化硅4上沉积硅，得到硅光栅2。(2)环形光栅2 mnd = Χμη ,光栅占空比A =50%,即s=500/ ，激光器3出射端面直径D =50,。(3)上述光栅2利用硅制备。(4)上述光栅2为凹槽结构，硅光栅2的厚度為=250—, hl=125—。(5)菲涅尔透镜I利用二氧化硅制备，h2=375備，/ =15^,/7=1. 5。对硅光栅2表面进行化学抛光；在硅光栅2平面上沉积二氧化硅，经过刻蚀得到菲涅尔透镜I。根据光栅2的散射对等效数值孔径的提高作用和菲涅尔透镜I对光的汇聚作用，激光器3出射的光通过复合结构可实现远场亚波长聚焦。通过对微光学元件的优化设计，将光栅2周期与工作波长相匹配，根据预设焦距设计菲涅尔透镜1，调整光栅2厚度和占空t匕，在满足低深宽比设计的同时获得较好的聚焦效果。选择IC工艺常见的硅和二氧化硅作为端面复合结构集成的材料，由于上述元件的加工工艺与IC加工工艺兼容性很好，从而可以将光栅2和菲涅尔透镜I两种微结构加工在激光器3出射端面上，从而得到高集成度的亚波长聚焦激光器。并且硅的折射率虚部在可见光波段几乎为零，在紫外波段增大，因而对光波有低通作用。 光栅由半导体材料制成，优选为硅、二氧化硅、氮化硅、砷化镓或氮化镓中的一种或多种的组合 在另一种优选的技术方案中，光栅可以由金属制成，金属可以是金、银、铝或钛中的一种或多种的组合。菲涅尔透镜优选为透光介质材质构成，优选为二氧化硅、融石英或聚甲基丙烯酸甲酯中的一种。对波长为500nm入射光经过光栅-菲涅尔透镜复合结构的仿真研究显示，如图3所示，焦点的最大强度为入射光强度的16. 572倍，焦距是14. 871芦氣半高宽为238nm，一级衍射级次的位置是±7. 9301/肌从结果看出，复合结构同时具有分光与聚焦的功能。当光线通过光栅2，一级衍射级次的强度明显小于O级衍射级次的强度。根据光栅方程，一级衍射级次的发散角为30度。根据仿真得到的焦距，代入计算得到，第一衍射级次在X方向的位置为±8· 66,,与通过电磁场的时域有限差分方法(FDTD)仿真的结果对比，存在略微区别的原因在于在亚波长尺寸上光栅方程以及菲涅尔公式的近似程度降低，衍射光学逐渐取代几何光学相关理论而占主导作用。本文所设计的端面加工有复合结构的激光器3具有一定的抗波长扰动能力。通过时域有限差分方法(FDTD)仿真得到目标波长附近其它波长的入射光通过光栅-菲涅尔透镜复合结构的结果，表I为470nm, 480nm, 490nm, 500nm, 510nm, 520nm, 530nm波长的入射光通过所设计复合结构的最大光强、焦距、焦深和半高宽，本文对焦深定义为焦点沿y轴最大光强值1/2的两点的距离。这里定义相对半高宽为FWHM/I,计算结果如图4所示。表I不同波长的入射光的聚焦情况液￥(纳米)|最大光强I焦距(微米)I焦深(微米)I半高宽(纳米)I相对半高宽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_ 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种激光器，包括激光出射端面，其特征在于：出射端面为光栅和菲涅尔透镜的复合结构。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：金鹏，马龙，林杰，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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