半导体激光器集成非球面微透镜光束整形的研究

【摘要】：垂直腔面发射半导体激光器由于其加工容易、效率高、二维阵列易于集成，出射光的波长的均匀性和迁移率小，出射光是圆形光束，容易进行光束整形和集成等特点，近年来在集成电路、光纤耦合、激光泵浦、微流控芯片等领域引起了广泛的关注。然而由于垂直腔面发射半导体激光器的腔长短，所以其出射光的发散角比较大，需要微光学元件对其进行光束整形，减少其发散角；而传统的加工技术对于三维的微光学元件尤其是非球面形貌不能实现，因此飞秒激光直写技术的出现解决了微光学元件的加工制作上的困难。 飞秒激光具有“细、强、快”三大特点：细指可以进行突破衍射极限的超高精度的微纳加工；强指由于其脉冲的间隔为飞秒量级，具有非常高的峰值功率；快指其单个脉冲的持续时间为飞秒，可以进行电子转移等方面的超快光谱的研究。飞秒激光直写技术是利用其可以突破衍射极限的超高精度加工，实现在三维空间内任意形貌的加工制作。本实验利用飞秒激光直写技术加工制备了微光学元件非球面微透镜对垂直腔面发射半导体激光器出射光进行光束整形，减少其发散角。本文中介绍了飞秒激光直写的原理和应用，并实现了不同尺寸的非球面微透镜的加工制备，解决了使用低数值孔径物镜加工大尺寸微透镜所引起的加工误差问题，并且实现了非球面微透镜在任意非透明衬底上的飞秒激光直写加工，自行搭建了飞秒激光正置和倒置加工系统。 本文中为了得到垂直腔面发射半导体激光器出射光更好的整形效果，分别采用了低数值孔径物镜加工大尺寸微透镜分离式集成半导体激光器和直接集成非球面微透镜在半导体激光器的出射窗表面上两种不同的方法。在分离式集成非球面微透镜整形的过程中，加工制作了长焦距和短焦距两种不同的大尺寸微透镜。由于长焦距大尺寸微透镜的数值孔径更接近于半导体激光器出射光相对应的数值孔径，所以长焦距大尺寸微透镜的整形结果要好于短焦距大尺寸微透镜的整形结果。长焦距大尺寸微透镜集成整形的结果使得发散角从原来的18.16。减少为2.6。，短焦距大尺寸微透镜集成整形的结果使得发散角从原来的18.16。减少为5.25。。 考虑到分离式集成微透镜集成复杂，调试装置困难，玻璃衬底存在折射和反射等缺点，我们提出了利用高数值孔径物镜将非球面微透镜直接集成在半导体激光器的表面上。这种方式微透镜与半导体激光器融为一体，集成方便，降低了测试的复杂性和难度，消除了由于玻璃衬底的存在而引起的折射和反射等现象。在理论上对直接集成非球面微透镜在半导体激光器的表面上的结果进行了模拟，理论结果证明了这种方法可以有效地减少半导体激光器的发散角。直接集成非球面微透镜的整形结果从原来的18.16。减少为0.86。，其整形的结果要远远好于分离式集成大尺寸非球面微透镜的结果。