[发明专利]一种激光器

说明书

技术领域

本发明属于微纳光学、应用光学和衍射光学交叉技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明提供了一种高集成度的亚波长聚焦激光器。本发明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0.5～5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。本发明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。

本发明的有益效果是：由于本发明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1是按照本发明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1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1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1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1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。

具体实施方式

在波长                                                的激光器3出射端面加工光栅-菲涅尔透镜复合结构。

（1）  在激光器出射端面集成有环形光栅2。