CN104836116B - 一种基于聚合物的基横模微柱形激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于聚合物的基横模微柱形激光器，包括基底和至少一个微柱形光学单元，光学单元安装在上述基底上，光学单元包括两个分布式布拉格反射器以及两个分布式布拉格反射器之间夹持的谐振腔。分布式布拉格反射器具有由两种不同折射率的聚合物薄膜交替排列形成的周期结构；谐振腔选用有机半导体或掺杂有有源介质的单层聚合物薄膜制作。采用三种不同的制作方法对聚合物薄膜层进行处理，通过纳米压印技术压制出至少一个微柱形的光学单元，且在远离基底的分布式布拉格反射器的光出射端压制出微透镜结构。制造工艺简单，材料及加工成本低，加工速度快，适于批量生产。

Description

一种基于聚合物的基横模微柱形激光器
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种基于聚合物的基横模微柱形激光器。
背景技术
现有技术中，微型化和集成化是激光器发展的一个必然趋势，随着激光器特征尺寸的减小，激光器的制作工艺变得复杂，使制作效率降低，成本提高。
激光器的分布式布拉格反射器(DBR)具有两种不同折射率的半导体材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，常用半导体材料作为薄膜材料，半导体材料的折射率差别较小，因此，半导体材料需要用较多的层数才能得到高反射率，不利于简化工艺和降低成本。
激光器微型化和集成化导致用于制作激光器的传统光刻技术越来越复杂，光刻的成本不断增加。此外，受光衍射极限的限制，传统光刻在制作小型光学器件时的分辨率不高；电子束光刻虽有较高的分辨率，但其工艺产率低，不适合大批量生产；X-ray光刻的产率虽高，但是这种光刻的掩膜板和曝光系统非常复杂且昂贵。
发明内容
为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种基于聚合物的基横模微柱形激光器，旨在解决现有技术中，激光器生产工艺技术复杂，制作成本高，产率低，不适用大规模生产的问题。
本发明提出的一种基于聚合物的基横模微柱形激光器，包括基底和至少一个微柱形光学单元，光学单元安装在基底上，光学单元包括谐振腔和两个分布 式布拉格反射器，谐振腔夹持在两个分布式布拉格反射器之间，分布式布拉格反射器具有由两种不同折射率的聚合物薄膜交替排列形成的周期结构，谐振腔选用有机半导体或掺杂有有源介质的单层聚合物薄膜制作。
在上述技术方案中，通过设计光学单元，并将光学单元设计为微柱形，可用于基横模发射，并且易于与其它光学器件进行耦合输出，同时，可以为大批量重复性大面积制作奠定基础；分布式布拉格反射器采用两种不同折射率的聚合物薄膜交替排列形成周期结构，一方面可以利用聚合物薄膜可选择性好、易于加工、成本低和可调谐范围大的优点，另一方面，有利于通过膜层厚度的控制和层数控制来调节光学单元的反射率。
优选地，所述聚合物薄膜为PS、PMMA、PVK、CA、PDMS、PVP和PC中的任意两种。
优选地，所述基底为玻璃、硅、聚合物材料中的一种。
优选地，两个分布式布拉格反射器中，远离基底的分布式布拉格反射器的光出射端为微透镜结构，从而可以提高光束的聚焦，提高光束的能量密度。
优选地，所述微透镜结构采用纳米压印技术制成，具有制作速度快，成本低的优点。
优选地，所述光学单元的数量可为多个，且以阵列方式分布；通过光学谐振单元的阵列分布，可以并行多系统，如，用于并行光传输系统、并行处理计算机群机系统的光互连网络以及星载自由空间超小型高性能光互连并行多处理机系统。
优选地，光学单元采用以下步骤制成：
S1：在基底上设置工作层，工作层由两层聚合物薄膜层及上述两层聚合物薄膜层之间夹持的谐振腔形成，其中，聚合物薄膜层由两种不同折射率的聚合 物薄膜交替排列形成；
S2：将S1中获得的工作层切分形成至少一个光学单元，且任一光学单元中具有一个谐振腔。
采用上述方式制备光学单元，具有成本低且速度快的优点。
优选地，聚合物薄膜层采用以下步骤制成：
A1：将两种不同折射率的聚合物薄膜交替叠放，得到多层聚合物薄膜叠合体；
A2：将A1中获得的多层聚合物薄膜叠合体置于高温的环境中使聚合物薄膜融化，在多层聚合物薄膜叠合体的顶面涂润滑剂；
A3、用大滚轮碾压A2中获得的多层聚合物薄膜叠合体的顶面，控制碾压的力度与速度，使各聚合物薄膜层厚度分布均匀，得到聚合物薄膜层状体；
A4、判断A3中获得的聚合物薄膜层状体的层数是否符合周期结构的层数和厚度要求；若否，则利用切堆技术进行切割得到周期结构；或，利用切堆技术进行切割得到周期结构的组件后，堆积形成聚合物薄膜层。
优选地，聚合物薄膜层采用以下步骤制成：
B1：调整旋涂机的转速和旋涂机中旋涂溶液的浓度；
B2：采用旋涂机进行旋涂和烘烤,获得由两种不同折射率的聚合物薄膜交替排列形成的聚合物薄膜层，其中，聚合物薄膜的光学厚度都等于发光波长的四分之一。
优选地，聚合物薄膜层采用以下步骤制成：以共挤压法将交替排列的两种不同折射率的聚合物薄膜制成一体形成，所述共挤压法采用多层共挤吹塑技术。
优选地，在步骤S2中，聚合物薄膜层切分采用纳米压印技术。
本发明中，采用聚合物材料作为激光器的膜层材料，聚合物材料价廉，易 获得，易于成形处理，生产制作工艺简单，材料性质丰富，可选择性较大，利于大批量制作；采用玻璃、硅、聚合物材料中的一种作为基底材料，具有选择灵活，价格低廉的优点；采用纳米压印技术，将光学单元压制成微柱形，在远离基底的光出射端压印出光学微透镜,纳米压印技术对于微型化结构的加工，具有加工成本低、制备周期短、且产量高的优点。
附图说明
图1为聚合物薄膜层的结构示意图；
图2为基底与光学单元连接示意图。
具体实施方式
如图1和2所示，本发明提出的一种基于聚合物的基横模微柱形激光器，包括一个基底1和多个微柱形光学单元2，其中：
光学单元2呈阵列分布，可用于并行光传输系统、并行处理计算机群机系统的光互连网络以及星载自由空间超小型高性能光互连并行多处理机系统。光学单元2包括两个分布式布拉格反射器4、所述两个分布式布拉格反射器4之间夹持的谐振腔3，所述分布式布拉格反射器4具有由两种不同折射率的聚合物薄膜交替排列形成的周期结构；所述谐振腔3选用有机半导体或掺杂有有源介质的单层聚合物薄膜制作，两个分布式布拉格反射器4中，远离基底1的分布式布拉格反射器4的光出射端为微透镜结构5。
分布式布拉格反射器4具有由两种不同折射率的聚合物薄膜交替排列形成的周期结构，聚合物薄膜价廉，容易获得，且加工工艺成熟，可以通过改变聚合物薄膜膜层厚度来调节激光器的发光波长，双向拉伸多层膜可快速、可逆地对激光器的发光波长进行调谐；通过改变聚合物薄膜的层数、高低折射率的比值来改变分布式布拉格反射器在发光波长处的反射率。聚合物薄膜采用PS、 PMMA、PVK、CA、PDMS、PVP和PC中的任意两种；采用纳米压印技术在光学单元远离基底的光出射端压印出光学微透镜，实现光束的聚焦。
光学单元2采用以下步骤形成：
S1：在基底1上设置工作层，工作层由两层聚合物薄膜层及上述两层聚合物薄膜层之间夹持的谐振腔3形成，其中，聚合物薄膜层由两种不同折射率的聚合物薄膜交替排列形成；
S2：采用纳米压印技术将S1中获得的工作层切分形成至少一个光学单元2，且任一光学单元2中具有一个谐振腔3。
纳米压印技术可直接利用物理学机理机械地在光刻胶上构造纳米尺寸图形，是在纳米尺度获得复杂结构的一种成本低而速度快的方法。
在实施例1中，聚合物薄膜层采用以下步骤制成：
A1：将两种不同折射率的聚合物薄膜交替叠放，得到多层聚合物薄膜叠合体；
A2：将A1中获得的多层聚合物薄膜叠合体置于高温的环境中使聚合物薄膜融化，在多层聚合物薄膜叠合体的顶面涂润滑剂；
A3、用大滚轮碾压A2中获得的多层聚合物薄膜叠合体的顶面，控制碾压的力度与速度，使各聚合物薄膜层厚度分布均匀，得到聚合物薄膜层状体；
A4、判断A3中获得的聚合物薄膜层状体的层数是否符合周期结构的层数和厚度要求；若否，则利用切堆技术进行切割得到周期结构；或，利用切堆技术进行切割得到周期结构的组件后，堆积形成聚合物薄膜层。
在实施例2中，聚合物薄膜层采用以下步骤制成：
B1：调整旋涂机的转速和旋涂机中旋涂溶液的浓度；
B2：采用旋涂机进行旋涂和烘烤,获得由两种不同折射率的聚合物薄膜交替 排列形成的聚合物薄膜层，其中，聚合物薄膜的光学厚度都等于发光波长的四分之一。
在实施例3中，聚合物薄膜层采用以下步骤制成：以共挤压法将交替排列的两种不同折射率的聚合物薄膜制成一体形成，所述共挤压法采用多层共挤吹塑技术。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于聚合物的基横模微柱形激光器，其特征在于，包括基底(1)和至少一个微柱形光学单元(2)，光学单元(2)安装在基底(1)上，光学单元(2)包括谐振腔(3)和两个分布式布拉格反射器(4)，谐振腔(3)夹持在两个分布式布拉格反射器(4)之间，分布式布拉格反射器(4)具有由两种不同折射率的聚合物薄膜交替排列形成的周期结构，谐振腔(3)选用有机半导体或掺杂有有源介质的单层聚合物薄膜制作；
所述光学单元(2)采用以下步骤制成：
S1：在基底(1)上设置工作层，工作层由两层聚合物薄膜层及上述两层聚合物薄膜层之间夹持的谐振腔(3)形成，其中，聚合物薄膜层由两种不同折射率的聚合物薄膜交替排列形成；
S2：将S1中获得的工作层切分形成至少一个光学单元(2)，且任一光学单元(2)中具有一个谐振腔(3)；
所述聚合物薄膜层采用以下步骤制成：
A1：将两种不同折射率的聚合物薄膜交替叠放，得到多层聚合物薄膜叠合体；
A2：将A1中获得的多层聚合物薄膜叠合体置于高温的环境中使聚合物薄膜融化，在多层聚合物薄膜叠合体的顶面涂润滑剂；
A3、用大滚轮碾压A2中获得的多层聚合物薄膜叠合体的顶面，控制碾压的力度与速度，使各聚合物薄膜层厚度分布均匀，得到聚合物薄膜层状体；
A4、判断A3中获得的聚合物薄膜层状体的层数是否符合周期结构的层数和厚度要求；若否，则利用切堆技术进行切割得到周期结构；或，利用切堆技术进行切割得到周期结构的组件后，堆积形成聚合物薄膜层。
2.根据权利要求1所述的基于聚合物的基横模微柱形激光器，其特征在于，所述聚合物薄膜为PS、PMMA、PVK、CA、PDMS、PVP和PC中的任意两种，和/或，所述基底(1)为玻璃、硅、聚合物材料中的一种。
3.根据权利要求1所述的基于聚合物的基横模微柱形激光器，其特征在于，两个分布式布拉格反射器(4)中，远离基底(1)的分布式布拉格反射器(4)的光出射端为微透镜结构(5)。
4.根据权利要求3所述的基于聚合物的基横模微柱形激光器，其特征在于，所述微透镜结构(5)采用纳米压印技术制成。
5.根据权利要求1所述的基于聚合物的基横模微柱形激光器，其特征在于，光学单元(2)的数量可为多个，且以阵列方式分布。
6.根据权利要求1所述的基于聚合物的基横模微柱形激光器，其特征在于，聚合物薄膜层采用以下步骤制成：
B1：调整旋涂机的转速和旋涂机中旋涂溶液的浓度；
B2：采用旋涂机进行旋涂和烘烤,获得由两种不同折射率的聚合物薄膜交替排列形成的聚合物薄膜层，其中，聚合物薄膜的光学厚度都等于发光波长的四分之一。
7.根据权利要求1所述的基于聚合物的基横模微柱形激光器，其特征在于，聚合物薄膜层采用以下步骤制成：以共挤压法将交替排列的两种不同折射率的聚合物薄膜制成一体形成，所述共挤压法采用多层共挤吹塑技术。
8.根据权利要求1所述的基于聚合物的基横模微柱形激光器，其特征在于，在步骤S2中，工作层切分形成光学单元采用纳米压印技术。
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