使超薄超透镜实现对垂直腔面发射激光器的光束控制

2020年2月14日 16:00:40 来源: 中国光学期刊
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  目前,法国蔚蓝海岸大学应用研究中心(CRHEA)的Patrice Genevet领导的研究小组与北京工业大学光电子技术重点实验室合作使用一种称为超透镜的平面超薄光学结构在垂直腔面发射激光器(VCSEL)中实现单轴控制的方法。

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超表面(MS)-VCSEL的光束偏转性能。a)用于光束转向设计的超表面光学图像;b)光束半径以不同角度偏转,作为传播距离的函数,用高斯函数拟合;c)在Z = 10 cm处具有不同偏转角的MS-VCSEL的测得的光斑模式图。

  VCSEL由东京工业大学的Kenicha Iga于1977年首次提出,VCSEL目前已成为一种通用且高效的光源。现在,来自法国和中国的一个研究团队通过在晶片级处理过程中将纳米图案的光束整形结构集成到每个激光器中,增强了VCSEL的功能。该团队认为,这种方法可以创建按需设计的光波阵面,从而构建具有所需光束轮廓的超紧凑型可编程芯片上激光阵列等设备。

  VCSEL与其他激光器一样,包含一个腔,在腔中产生并发射光以产生受激发射。 超透镜也可产生相似的效果,但机制不同。在CRHEA小组的工作中,金属材料是由砷化镓(GaAs)半导体膜制成的,该膜上刻有纳米尺寸的圆柱。这些“纳米柱”之间的距离比设计成形状的光的波长短,并且它们的作用就像光学天线一样,在穿过它们的光线中引入空间变化的相位延迟,并根据需要模制光束轮廓。结果是可以通过改变纳米天线之间的大小,直径和间距,针对特定波长的光调整超表面。

  为了使激光准直,Genevet和他的同事使用了金属化设计,其中包含不同形状和尺寸的天线。这些天线使相位延迟沿透镜径向分布,从而使光线越来越远离中心折射,从而使入射光的波阵面成形并聚焦。Genevet说:“我们使用的方法本质上是非侵入性的,可以直接在芯片尺寸上进行光学透镜的单片集成。”

  研究人员于Nature Nanotechnology发表的论文介绍到,实验以“反向发射”配置制造了VCSEL。研究人员通过将激光器的底部(基板)表面雕刻到激光器中,将超表面直接集成到激光器中。他们称其为超表面集成(MS)VSCEL的结果意味着,金属镜仅用作无源光束整形元件,因此不会以任何方式改变激光器的性能或损害其性能。

  Genevet表示,他们的研究团队正在开发潜在的其他有意义的应用,包括从用于计算机鼠标的基本激光器,蓝光源开始,到实现紧凑型激光雷达系统。本文的技术可以在超紧凑晶圆级别上对激光发射进行任意波前整形,从而简化了以前繁琐的光学元件组装过程。