激光器快慢轴准直器、激光器和激光器制作方法与流程

本发明涉及光电器件设计领域，具体地涉及一种激光器快慢轴准直器、激光器和激光器制作方法。

背景技术：

1、激光系统中激光器发射的激光在出射阶段大多形状为椭圆光束，经过多片式传统透镜系统准直处理后，可在目标区域形成预设形状的光区，例如，形成预设形状为圆形的光区。而后续的准直光斑可应用在聚焦、投影、成像等领域。

2、由于半导体激光器本身的性质原因，其输出光束发散角在快轴和慢轴方向大小不同，通常快轴的发散角远大于慢轴的发散角。现有技术中，利用多片式传统透镜，可以通过柱透镜对激光端面的快轴和慢轴分别准直，并且根据激光器的像散和输出光直径的大小放置激光器后不同的地方，或者一体化采用单片式的双曲透镜，或者采用棱镜对的方式对激光器进行准直。

3、但是，在远距离自由空间传输中，传统光学透镜组通常需要非球面型来实现较为理想的准直效果，然而受限于传统非球面柱透镜的加工方式，柱透镜的开模成本高，精度不足，体积较大，而棱镜对占用系统空间较大，只能对单一方向上进行准直，在集成化激光器中的应用较为困难。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种激光器快慢轴准直器、激光器和激光器制作方法。

2、本发明提供一种激光器快慢轴准直器，其用于对激光器所发出的光束进行准直，其特征在于，

3、所述准直器包括依次设置的第一超表面光学元件和第二超表面光学元件，所述第一超表面光学元件和所述第二超表面光学元件分别包括衬底和设置于所述衬底上的微结构单元阵列，其中，所述微结构单元尺寸为亚波长级；

4、所述第一超表面光学元件和所述第二超表面光学元件的微结构单元阵列配合对所述激光器发出的光束在快轴方向和在慢轴方向进行准直，其中，所述第一超表面光学元件微结构单元阵列至少对所述激光器所发出的光束在慢轴方向进行扩束或缩束。

5、作为本发明的进一步改进，所述第一超表面光学元件微结构单元阵列对所述激光器发出的光束在快轴方向进行准直，并在慢轴方向进行扩束或缩束；

6、所述第二超表面光学元件微结构单元阵列对所述激光器发出的光束在慢轴方向进行准直。

7、作为本发明的进一步改进，所述第一超表面光学元件的微结构单元阵列的相位分布表达式为：

8、

9、所述第二超表面光学元件的微结构单元阵列的相位分布表达式为：

10、

11、其中，λ为所述激光器发出光束的波长，ff为所述激光器在y轴方向(快轴方向)上的焦距，fs为激光器在x轴方向(慢轴方向)上的焦距，d为所述第一超表面光学元件和所述第二超表面光学元件之间的距离，x,y为光束在所述第一超表面光学元件微结构单元阵列上的坐标。

12、作为本发明的进一步改进，所述第一超表面光学元件微结构单元阵列对所述激光器发出的光束同时在快轴方向和慢轴方向进行扩束和/或缩束；

13、所述第二超表面光学元件微结构单元阵列对光束同时在快轴和慢轴方向进行准直。

14、作为本发明的进一步改进，所述第一超表面光学元件的微结构单元阵列的相位分布表达式为：

15、

16、其中，λ为所述激光器发出光束的波长，ff为所述激光器在y轴方向(快轴方向)上的焦距，fs,x与fs,y分别为所述第二超表面光学元件在x轴和y轴方向上的焦距，d为所述第一超表面光学元件和所述第二超表面光学元件之间的距离，x,y为光束在所述第一超表面光学元件微结构单元阵列上的坐标。

17、作为本发明的进一步改进，微结构单元的几何形状为圆柱体和/或椭圆主体和/或长方体，和/或镂空的圆柱体和/或镂空的椭圆主体和/或镂空的长方体，和/或自由曲面体，以及上述几何形状旋转后的形状。

18、作为本发明的进一步改进，所述第一超表面光学元件和所述第二超表面光学元件共用一所述衬底，所述衬底包括朝向所述激光器的第一面以及与所述第一面相背离的第二面，所述第一超表面光学元件微结构单元阵列设置于所述衬底第一面上，所述第二超表面光学元件微结构单元阵列设置于所述衬底第二面上。

19、作为本发明的进一步改进，所述第一超表面光学元件和所述第二超表面光学元件为分立元件，两者分别包括一所述衬底和设置在所述衬底上的微结构单元阵列。

20、一种激光器，其包括如上述的激光器快慢轴准直器。

21、作为本发明的进一步改进，所述激光器包括激光器衬底，形成于所述激光器衬底上的外延层，包覆所述外延层的保护层，所述激光器快慢轴准直器固定设置于所述保护层上，第一超表面光学元件和第二超表面光学元件的微结构单元阵列相对于所述外延层设置。

22、作为本发明的进一步改进，所述激光器还包括设置于所述保护层周侧的结构支撑件，所述结构支撑件设置于所述激光器衬底和所述激光器快慢轴准直器衬底之间。

23、作为本发明的进一步改进，所述激光器包括激光器衬底，形成于所述激光器衬底上的外延层，包覆所述外延层的保护层，镀覆制作形成于所述保护层上的第一超表面光学元件微结构单元阵列，镀覆形成于所述第一超表面光学元件微结构单元阵列的衬底，镀覆制作形成于所述衬底上的第二超表面光学元件微结构单元阵列。

24、一种激光器制作方法，其包括步骤：

25、提供激光器衬底和上述的激光器快慢轴准直器；

26、在所述激光器衬底上生长外延层；

27、在所述衬底上镀覆保护层，使所述保护层覆盖所述外延层；

28、减薄平整所示保护层，将所述激光器快慢轴准直器通过倒转工艺贴装在所述保护层上。

29、作为本发明的进一步改进，在所述衬底上镀覆保护层之后还包括：

30、在所述保护层周侧设置结构支撑件。

31、一种激光器制作方法，其包括步骤：

32、提供激光器衬底；

33、在所述激光器衬底上生长外延层；

34、在所述衬底上镀覆保护层，使所述保护层覆盖所述外延层；

35、在所述保护层上通过镀覆和光刻工艺形成如上述的激光器快慢轴准直器。

36、本发明的有益效果是：本发明提供一种激光器快慢轴准直器、激光器和激光器制作方法，准直器使用一对超表面光学元件，基于超表面光学元件微结构单元阵列对光束相位调控的功能，能够对激光器所发出的光束同时在快轴和慢轴方向进行准直，同时显著减小准直器的尺寸。对于激光器而言，由于超表面光学元件采用微纳工艺进行制作，准直器可以直接集成在激光器上，从而在整体减小激光器的尺寸，并降低生产成本。另外，基于超表面光学元件对于光场优秀的调控能力，准直器也能够显著改善激光输出的形貌。

技术特征：

1.一种激光器快慢轴准直器，其用于对激光器所发出的光束进行准直，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的激光器快慢轴准直器，其特征在于，所述第一超表面光学元件微结构单元阵列对所述激光器发出的光束在快轴方向进行准直，并在慢轴方向进行扩束或缩束；

3.根据权利要求2所述的激光器快慢轴准直器，其特征在于，所述第一超表面光学元件的微结构单元阵列的相位分布表达式为：

4.根据权利要求1所述的激光器快慢轴准直器，其特征在于，所述第一超表面光学元件微结构单元阵列对所述激光器发出的光束同时在快轴方向和慢轴方向进行扩束和/或缩束；

5.根据权利要求4所述的激光器快慢轴准直器，其特征在于，所述第一超表面光学元件的微结构单元阵列的相位分布表达式为：

6.根据权利要求1所述的激光器快慢轴准直器，其特征在于，微结构单元的几何形状为圆柱体和/或椭圆主体和/或长方体，和/或镂空的圆柱体和/或镂空的椭圆主体和/或镂空的长方体，和/或自由曲面体，以及上述几何形状旋转后的形状。

7.根据权利要求1所述的激光器快慢轴准直器，其特征在于，所述第一超表面光学元件和所述第二超表面光学元件共用一所述衬底，所述衬底包括朝向所述激光器的第一面以及与所述第一面相背离的第二面，所述第一超表面光学元件微结构单元阵列设置于所述衬底第一面上，所述第二超表面光学元件微结构单元阵列设置于所述衬底第二面上。

8.根据权利要求1所述的激光器快慢轴准直器，其特征在于，所述第一超表面光学元件和所述第二超表面光学元件为分立元件，两者分别包括一所述衬底和设置在所述衬底上的微结构单元阵列。

9.一种激光器，其特征在于，包括如权利要求1～8任一项所述的激光器快慢轴准直器。

10.根据权利要求9所述的激光器，其特征在于，所述激光器包括激光器衬底，形成于所述激光器衬底上的外延层，包覆所述外延层的保护层，所述激光器快慢轴准直器固定设置于所述保护层上，第一超表面光学元件和第二超表面光学元件的微结构单元阵列相对于所述外延层设置。

11.根据权利要求10所述的激光器，其特征在于，所述激光器还包括设置于所述保护层周侧的结构支撑件，所述结构支撑件设置于所述激光器衬底和所述激光器快慢轴准直器衬底之间。

12.根据权利要求9所述的激光器，其特征在于，所述激光器包括激光器衬底，形成于所述激光器衬底上的外延层，包覆所述外延层的保护层，镀覆制作形成于所述保护层上的第一超表面光学元件微结构单元阵列，镀覆形成于所述第一超表面光学元件微结构单元阵列的衬底，镀覆制作形成于所述衬底上的第二超表面光学元件微结构单元阵列。

13.一种激光器制作方法，其特征在于，包括步骤：

14.根据权利要求13所述的激光器制作方法，其特征在于，在所述衬底上镀覆保护层之后还包括：

15.一种激光器制作方法，其特征在于，包括步骤：

技术总结
本发明提供一种激光器快慢轴准直器、激光器和激光器制作方法，准直器使用一对超表面光学元件，基于超表面光学元件微结构单元阵列对光束相位调控的功能，能够对激光器所发出的光束同时在快轴和慢轴方向进行准直，同时显著减小准直器的尺寸。对于激光器而言，由于超表面光学元件采用微纳工艺进行制作，准直器可以直接集成在激光器上，从而在整体减小激光器的尺寸，并降低生产成本。另外，基于超表面光学元件对于光场优秀的调控能力，准直器也能够显著改善激光输出的形貌。

技术研发人员：马钊,史坦,延宇豪,刘思杨
受保护的技术使用者：苏州山河光电科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15