[发明专利]改进辐射束准直的方法和装置

说明书

政府资助的研究

与本文公开的内容相关的一些研究是由美国空军科学研究局根据第FA9550-04-1-0434号合约资助的，美国政府对部分公开内容具有一定权利。

背景技术

对于需要在远场将光以小角度集中的很多应用，例如，印刷(例如激光打印机)、自由空间光通信或遥感，准直光束辐射源都是期望的。对于将激光输出耦合到光纤和光波导中的应用，例如，光通信系统的互联，准直光源也很重要。通常利用庞大且通常昂贵的光学元件(例如透镜或抛物面镜)在外部实施光源准直。本文中，准直被定义为具有低发散角(例如几度或更少)，对于半导体激光器而言，准直包括充分小于未进行准直的原始装置的发散角度值(例如十至几十度)的发散角度。因为准直光源提供具有低发散角的输出光束，因此这样的光源一般不需要额外的准直透镜和精确的光学对准来得到期望的束剖面和/或方向性。在需要超准直光束(例如发散角远小于1度)的情况，准直光源仍然可能需要使用低数值孔径(NA)透镜，与直接使用高NA透镜相比较，这是有成本效益的解决方案。

对于很多现有技术的光源，其辐射的空间分布具有固有的大发散角度。例如，来自发光二极管(LED)的p-n结的辐射在装置内部几乎为全向的。如果考虑波导和装置封装对光输出的影响，则LED的发散角仍然非常大(例如至少几十度)。对于边发射半导体激光器，在材料生长方向的发散角度通常较大(例如几十度)。这是因为在材料生长方向的激光波导w通常与自由空间中的激光波导λ₀相当或小于自由空间中的激光波导λ₀。当激光辐射从这样受限的波导传播至自由空间时，激光辐射分散为可由λ₀/w粗略估计的角度，从而生成1弧度或大约60度数量级的发散角。在半导体激光器中，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)被认为在光束准直中是优异的，因为VCSEL通常具有与边发射激光器相比较大的发射面积。商用VCSEL具有从5至30度范围的发散角，但是通常约为15度。然而，尽管通过VCSEL得到较小的发散角，但是VCESL具有不稳定的输出极化的内在问题。

之前，Lezec等人提出并证明了能对入射的可视光进行准直的无源孔槽结构[H.J.Lezec等人的“来自亚波长孔的光束(Beaming lightfrom a sub-wavelength aperture)”，《科学》(Science)297，820(2002)]。该孔槽结构被限定在悬浮金属膜上，且被包括在由周期性的槽环绕的中心孔中。Lezec的结论示出，适当地设计的无源孔槽结构可具有高的功率通量，且从该结构发出的光束可具有小的发散角度。然而，这些结论可认为是与违反直觉的，因为波动光学提出，从亚波长孔发出的光本质上在半空间中应是全向性的，并且单个亚波长孔的传输效率应该与(r/λ₀)⁴是成比例的，(r/λ₀)⁴＜＜1，其中r为孔的尺寸[H.A.Bethe“小孔发散理论(Theory of diffraction by small holes)”《物理评论》(Phys.Rev.)66，163(1944)]。

可以按照如下理解Lezec著作的光束准直现象。孔发出的光耦合到沿光栅传播的表面等离子体激元中。表面等离子体激元是受限于金属与电介质之间的界面并沿金属与电介质之间的界面传播的表面电磁波。这些表面等离子体激元通过周期性的栅槽散射入自由空间。来自孔的直接发射和源于表面等离子体激元散射的再发射彼此相长干涉，从而得到在远场的准直光束。

发明内容

发明人认识并了解到，很多现有光子装置的辐射发射特征相对于光束准直明显地改进。尤其是，发明人认识到，将称为等离子体准直仪的孔槽结构与有源光子装置或其他辐射发射装置集成，以产生与之前的系统相比具有减小的发散角和相当的功率通量级别的准直光束。可有效地利用具有亚波长的适合的金属结构，以直接设计半导体激光器的远场，并大大减小半导体激光器光束的发散角。利用等离子体结构或更一般的光子晶体的激光光束的波前工程学对激光科学和技术的进一步发展具有深远的影响。