CN115812169A - 基于波长可调谐超表面的外腔激光器 - Google Patents

Abstract

一种激光设备包括增益介质，该增益介质包括刻面。激光设备包括超表面，该超表面包括多个超晶胞。超表面被设置在衬底上并且被配置为将来自刻面的光的第一部分作为反馈光束反射并聚焦回增益介质。超表面可被配置为以相对于反馈光束的方向为非零的角度将光的第二部分作为输出光束反射。超表面可被配置为将光的第二部分作为输出光束透射通过超表面远离刻面。可以通过平移超表面来调谐激光设备的发射波长。输出光束可以在调谐波长的同时朝向固定方向准直。

Description

基于波长可调谐超表面的外腔激光器

相关申请的交叉引

本申请要求于2020年5月8日提交的美国临时申请No.63/022,270的权益和优先权，该申请通过引用整体并入本文。

政府许可权

本发明是由国家科学基金会(National Science Foundation)授予的在1807323和1541959下的政府支持完成的。政府对本发明享有某些权利。

技术领域

本申请总体上涉及可调谐激光器系统。

背景技术

外腔激光器可以包括基于增益介质和一组光学元件的设备，该组光学元件可以在某些条件下发出激光。

发明内容

本公开的系统和方法涉及可以结合超表面的可调谐激光器系统。超表面可以包括亚波长间隔的光学元件的整体，并且可以包括多个超晶胞。提供了基于作为激光器的腔的一部分的超表面的外腔激光器的波长、光谱和偏振调谐。可以通过移动具有平移台的超表面或电气地来实现调谐。

提供了色散反射和透射超表面、结合这些超表面的波长可调谐激光器系统以及制造、布置、控制和对准这些系统的方法。也提供了用于调谐波长、抑制或诱导激光模式跳跃、控制发射光的偏振及耦合不同激光器的详细系统、方法及配置。在这些系统中使用的超表面可以产生波长相关和/或偏振相关反馈，该波长相关和/或偏振相关反馈可以被反向反射至组件(例如，激光器、增益介质、芯片、设备等)，这可以确定激光波长和/或偏振。在一些实施例中，可以通过机械平移和/或旋转超表面元件或系统的其他组件或使用电可调谐超表面元件来实现可调谐性。在一些实施例中，由超表面产生的反馈光束和输出光束两者可以是任意形状的并且可以包括光学相位和偏振奇点以实现精确的相位和偏振控制以及多波长操作。在一些实施例中，本公开的系统和方法使用一类基于超晶胞的超表面。基于超晶胞的超表面可以允许独立地设计激光的输出光束和朝向组件(例如，激光器、增益介质、芯片、设备等)的反馈光束。

本公开的至少一个方面涉及一种激光设备。该激光设备包括增益介质，该增益介质包括刻面。激光设备包括超表面，该超表面包括多个超晶胞。超表面被设置在衬底上并且可以被配置为将来自刻面的光的第一部分作为反馈光束反射并聚焦回增益介质。超表面可被配置为以相对于反馈光束的方向为非零的角度将光的第二部分作为输出光束反射。

本公开的另一方面涉及一种激光设备。该激光设备包括增益介质，该增益介质包括刻面。激光设备包括超表面，该超表面包括多个超晶胞。超表面被设置在衬底上并且被配置为将来自刻面的光的第一部分作为反馈光束反射并聚焦回增益介质。超表面可被配置为将光的第二部分作为输出光束透射通过超表面远离刻面。

在一些实施例中，该系统可以包括一个或更多个光学组件(例如，激光器、增益介质、芯片、设备等)。光学组件可以包括半导体激光器、固态激光器、气体激光器、染料激光器、金属蒸气激光器、单极激光器、或能够放大光或电磁辐射而对波长、大小和功率没有任何限制的设备。该增益介质或该增益介质的一部分可以涂覆有减反射(AR)涂层(例如，抗反射涂层)以便使沿着该增益介质传播的波与自由空间辐射相匹配。在一些实施例中，增益介质或增益介质的一部分可以涂覆有高反射率(HR)涂层以防止光在某些方向上的传播。在一些实施例中，可以使用减反射涂层和反射涂层两者。

在一些实施例中，该系统可以包括一个或更多个超表面。超表面可以包括放置在能够局部地改变传播通过超表面或由超表面反射的光的相位和振幅的表面(例如，平坦表面、弯曲表面等)上的非周期性或准周期性元件的阵列。在一些实施例中，使用各种光刻技术以及减法工艺(例如，蚀刻)或添加工艺(例如，物理或化学沉积)在衬底上限定超表面。在一些实施例中，元件是利用相变材料产生的和/或可以被机械地、电气地或光学地调谐(例如，重新配置)。

在一些实施例中，可以使用平移台(例如，机械或机电系统，诸如电机、手动台、压电台和换能器)来改变这些组件在设备的参考系中的相对和/或绝对位置和倾斜角。在一些实施例中，由增益介质和超表面形成的系统可以发射激光(例如，发出激光)。可以通过改变超表面设计或通过利用平移和/或旋转台移动超表面和/或增益介质来控制和/或调谐激光的特性。超表面可以将由增益介质发射的光的一部分反射回到增益介质本身。由超表面反射回到增益介质的光的部分可以被称为反馈光束。在一些实施例中，允许光的一部分作为输出光束(例如，另一光束或一组光束、透射光束等)逸出系统。

可以在增益介质与超表面之间或在输出光束中使用一个或更多个附加光学元件(例如，棱镜、偏光器、波片、其他超表面、透镜、反射镜、分束器、滤波器等)以控制(例如，成形)光的传播。这些元件可以被称为辅助光学元件。辅助光学元件可以不是光学滤波器的主要有源元件。

超表面可以充当激光系统的外腔。增益介质与超表面(和其他辅助光学元件)一起可以形成系统，在该系统中，光可以在经历单一或多于单一总功率增益的闭环中传播，并且充当激光源。该闭环和形成该闭环的组件的整体可以被称为光学腔(例如，腔)。此环路的存在可能不会防止输出光束的存在/形成。

在一些实施例中，可以使用超表面来控制反馈光束和输出光束两者的形状、偏振和波长，在一些实施例中，可以使用超表面以独立的方式来控制反馈光束和输出光束两者的形状、偏振和波长。在一些实施例中，超表面是基于超晶胞的。在一些实施例中，超表面的平移允许连续调谐准直输出光束的波长，而不改变输出光束本身的传播角度。该条件可以被称为固定角度准直输出。

在一些实施例中，该系统包括固定角度准直输出，允许对反馈光束的中心波长和相位的独立控制。可以使用该条件以在外腔系统中实现连续波长调谐。在一些实施例中，该系统可以包括一个或更多个平移台以实现连续波长调谐，并且可以不需要旋转台。在一些实施例中，系统允许反馈光束和输出光束两者的任意光束形状、相位分布和偏振分布，包括相位和偏振奇点的存在。在一些实施例中，可以控制激光系统的发射偏振。在一些实施例中，可以简化光学组件的对准。在一些实施例中，可以实现多波长操作，并且可以通过控制激光波长的相互相位关系来控制所发射的光的时域行为。光信号的时域工程可以通过超表面实现。

本领域技术人员将了解，概述仅是说明性的，并不旨在以任何方式进行限制。(如仅由权利要求书限定的)本文描述的设备和/或过程的其他方面、创造性特征、和优点将在本文阐述的并结合附图进行的详细描述中变得显而易见。

附图说明

在本说明书中描述的主题的一个或更多个实现方式的细节在附图和以下描述中阐明。根据描述、附图和权利要求，主题的其他特征、方面和优点将变得显而易见。

图1示出了根据实施例的可调谐外腔激光器系统的示意图。

图2示出了根据实施例的可调谐外腔激光器系统的示意图。

图3示出了根据实施例的超表面的波长调谐原理的示意图。

图4示出了根据实施例的超晶胞在超表面中的光反射、透射和衍射的示意图。

图5示出了根据实施例的用于外腔激光器的基于超晶胞的超表面设计的示例的示意图。

图6示出了根据实施例的在倾斜反射配置和发散输出中的基于波长可调谐超表面的外腔激光器的示意图。

图7A示出了根据实施例的在倾斜反射配置和固定角度准直输出中的基于波长可调谐超表面的外腔激光器的示意图。

图7B示出了根据实施例的投射在屏幕上的准直输出光束。

图8示出了根据实施例的在倾斜反射配置和包括热电冷却元件的固定角度准直输出中的基于波长可调谐超表面的外腔激光器的示意图。

图9示出了根据实施例的制造的超表面的横截面的示意图。

图10示出了根据实施例的制造的超表面的扫描电子显微镜图像。

图11示出了根据实施例的制造的波长可调谐超表面的表征。

图12示出了根据实施例的法向透射配置中的基于波长可调谐超表面的外腔激光器。

图13示出了根据实施例的离轴透射配置中的基于波长可调谐超表面的外腔激光器。

图14示出了根据实施例的反馈场中的轨道角动量奇点。

图15示出了根据实施例的电可调谐超表面外腔激光器。

在各个附图中，相同的附图标记和符号表示相同的元件。

具体实施方式

以下是对与方法、装置和结合超表面的可调谐激光器系统相关的各种概念及其实现方式的更详细的描述。上面介绍的和下面更详细讨论的各种概念可以以多种方式中的任一种来实现，因为所描述的概念不限于任何特定的实现方式。提供的具体实现方式和应用的示例主要用于说明性目的。

I.概述

外腔激光器可以包括基于增益介质(例如，二极管激光器增益芯片)和一组光学元件(例如，外腔)的设备，该组光学元件可以提供反馈(例如，将光反射回该增益介质)以产生可以在某些条件下发出激光(例如，发射激光)的光学腔。增益介质可以成形为具有两个端(例如，刻面(facet))的波导、光纤或杆。这些端中的一个或更多个可以涂覆有减反射(AR)涂层，该减反射(AR)涂层在反馈不可用时可以防止发射激光。该增益介质中涂覆有AR涂层的部分的反射率可以在10^-4至10^-5范围内。增益介质可以发射微弱且非相干的电致发光辐射。另一端可以具有高反射率(HR)涂层或另一端未被涂覆/AR涂覆。在未涂覆/AR涂覆的情况下，当系统以适当的反馈操作时，也可以由该刻面发射激光。该外腔可以包含滤波元件以控制该反馈的波长和/或光谱。该系统可以在一个特定波长下发出激光，该特定波长可以由该外腔确定。在激光器操作期间，所发射光可以是具有在MHz或kHz范围内的带宽的窄带。该范围可以比增益介质的带宽小几个数量级，因此发射可以是单色的。例如，二极管激光器增益芯片可以具有几THz的带宽。此外，如果在外腔中实现的光学滤波器是可调谐的，则可以在增益介质的整个带宽上调谐激光波长，同时保持其单色性。

在一些实施例中，透镜可以用于对从增益介质的AR刻面出射的光束进行准直。光束可以照射在光栅上，该光栅可以被布置成使得仅窄范围的波长(作为光栅的第一衍射级)被回射并且被聚焦回刻面上，从而产生反馈。激光可以在接近光学滤波器的中心波长处发生。激光也会受到腔的两端处的反射的相位关系影响。通过旋转光栅，可以调谐该光学滤波器的中心波长，并且可以控制激光波长。一部分光可被光栅镜面反射，并且该反射光可以是系统的输出。一个结果是光栅的旋转可能会改变输出光束的方向。改变输出光束的方向可能是不期望的效果，因为它可能会破坏与使用激光的其余设置的光学对准。在一些实施例中，可以使用从另一刻面出射的光。如果刻面也被AR涂覆，则可以使用附加反射元件并且在该侧上对准附加反射元件。这可能会增加系统的复杂度、成本和大小并且使对准更具挑战性。如果刻面是部分反射的，则系统可以工作但灵活性降低，因为可能无法动态地调谐刻面反射率，这会限制设备的一组可能的工作条件。

图1示出了可调谐外腔激光器系统的示意图。该系统可以包括增益介质101。增益介质101可以在一侧涂覆有HR涂层102并且在另一侧涂覆有AR涂层103。少量的残余光104可以透射通过HR涂层102并且可以用于利用检测器监测激光器功率。例如，可以使用具有这些涂层(例如，HR涂层、AR涂层等)的二极管激光器。透镜105可以准直可能照射在衍射光栅106上的激光束。衍射光栅106可以镜面反射准直光束的一部分以产生输出光束107，以及经由第一衍射级将功率的另一部分衍射回透镜。对于光谱的窄窗口，衍射光束可以以与准直照射光束相同的角度被精确地回射。透镜105可以将回射部分(例如，反馈)聚焦回增益介质101。可在HR涂层102和衍射光栅106之间形成光学腔。该光学腔可以包括增益介质101和透镜105。如果增益介质101的增益和由腔回射的功率的部分足够大，则腔可以在由衍射光栅106的位置和倾斜角确定的波长处发出激光。可以通过旋转衍射光栅106来实现波长调谐以调谐由衍射光栅106回射的窄光谱区域。可以通过平移衍射光栅106来实现波长调谐以实现反馈的更精确控制。在调谐时，输出光束可以旋转，这对于许多应用可能非常不方便。在一些实施例中，透镜105和衍射光栅106可以由超表面替代。

为了解决输出光束变化方向的问题，在一些实施例中，可以将旋转反射镜添加至系统。光栅被布置成使得第一级光束可以被发送至反射镜，而零级(镜面反射)是输出光束。反射镜可以被布置成使得从光栅出射的一个特定波长被回射至光栅，该光栅经由第一级衍射将光发送回透镜和刻面。然而，光栅还可以镜面反射该反馈的一部分，该反馈的一部分离开腔并且丢失。因为光栅不旋转，所以输出光束可以具有固定方向，从而解决了图1中描述的配置的缺点。然而，功率损耗可能将在该配置中可以生成的功率量限制为图1中描述的配置的功率的大约一半。

图2示出了可调谐外腔激光器系统的示意图。该系统包括增益介质201。增益介质201可以在一侧涂覆有HR涂层202并且在另一侧涂覆有AR涂层203。少量的残余光204可以透射通过HR涂层202并且可以用于利用检测器监测激光器功率。透镜205可以准直可能照射在衍射光栅206上的激光束。衍射光栅206可以镜面反射准直光束的一部分以产生输出光束208。第一级衍射光可以照射在反射镜207上。对于光谱的窄窗口，由反射镜反射的光可以被衍射回透镜并且作为反馈聚焦在增益介质201上。可以在反射镜207与HR涂层202之间形成光学腔。光学腔可以包括增益介质201、衍射光栅206和透镜205。如果增益介质201的增益和由衍射光栅206和反射镜207的组合回射的功率的部分足够大，则腔可以在由衍射光栅206的位置和倾斜角确定的波长处发出激光。衍射光栅206可以具有固定取向，反射镜207可以被旋转以实现波长调谐。在调谐时，输出光束可不旋转，但可以降低功率，因为仅反射镜207反射的光的一部分通过衍射光栅206被发送回激光器。例如，该附加损耗可以使输出功率减小大约50％。在一些实施例中，透镜205、衍射光栅206和反射镜207可以被超表面替代。

本公开的系统和方法可以解决与输出光束变化方向有关的问题，以及关于可调谐外腔激光器可以生成的功率量的限制。例如，本公开的系统和方法可以实现用少至两个组件(例如，一个增益介质和一个超表面而没有辅助光学组件)的固定角度准直输出。本公开的系统和方法可以解决与光学元件的利特罗(Littrow)配置相关联的对准问题，并且可以解决与光学元件的Littman-Metcalf配置相关联的光学损耗。

本文公开的系统和方法呈现了基于超表面的类型的外腔。超表面可以由布置在衬底(例如，透明衬底、反射衬底等)上的一组衍射和/或反射元件形成。超表面可以包括光学元件，该光学元件可以使用衬底(例如，平坦衬底)上的纳米结构阵列实现各种功能。纳米结构可以被设计以将局部不同的相位赋予入射波前。可以选择局部相位，使得对于从准直光束聚焦到焦点的每条射线，相位延迟是相同的。可以在焦点中使构造性干涉最大化。超表面可以用于使透射和/或反射光束成形并且用于诸如偏振光学器件和电光束操纵的附加功能。超表面可以将光直接聚焦回到增益介质的刻面。通过相对于刻面移动超表面，可以基于超表面焦点的色差调谐激光波长。本文公开的系统和方法提供了一种设备，该设备可以是波长可调谐的、紧凑的、轻质的、易于对准的、具有高功率输出(例如，小于50％的功率损耗)、以及具有在波长调谐时不旋转的准直输出光束。本公开的系统和方法可以提供紧凑和灵活的方式来实现光学反馈。

提供了色散反射和透射超表面、结合超表面的波长可调谐激光器系统以及制造、布置、控制和对准这些系统的方法。图3示出了超表面的波长调谐原理的示意图。在这些超表面中使用的波长选择机制可以基于聚焦超表面的色散。超表面可以包括在衬底上的折射和/或反射元件的规则的或部分规则的阵列，该阵列可以通过在每个元件处赋予线性光学响应来使超表面透射和/或反射的光成形。可以通过振幅和相位局部地描述线性光学响应。对于局部超表面元件(例如，与邻近元件具有可忽略的耦合)，由于所考虑的超表面可能不具有任何增益介质，所以振幅可能不会超过1。

光学响应可以取决于元件本身的几何形状和光学特性。该光学响应可以包括相位延迟和/或提前，该相位延迟和/或提前可以被局部地赋予光。可以在超表面上改变相位延迟和/或提前以实现光束成形，描述相位对超表面位置的依赖性的函数可以被称为相位分布。在一些实施例中，可以在感兴趣的波长处通过复振幅一起描述相位和振幅，该复振幅可以用相量形式定义为复数，该复数的相位是光学响应的相位，该复数的振幅是光学响应的振幅。类似于相位分布，可以定义复振幅分布以局部地描述超表面的响应。

在一些实施例中，超透镜是可以将法向入射平面波聚焦到空间中的给定点的超表面。如果选择每个离散元件的透射和/或反射相位以匹配以下设计相位分布，则可以实现此行为：

其中，

是随元件与超透镜的中心的距离

变化的相位分布，k₀＝2π/λ是自由空间中的光的波向量，λ是光的波长，f是超透镜的焦距，

是可以不影响超透镜的性能的恒定的任意相位因子。考虑到从超表面出射的波向量可以偏转等于超表面上的相位分布的梯度

的量，可以根据射线光学局部地解释超透镜的行为。等式1中给出的相位分布可以提供正确的梯度，以确保光朝向每个位置处的超表面的焦点偏转。光可以从一个点聚焦回到本身，这可以通过在反射中操作使波向量偏转加倍因此使相位分布加倍的超表面来实现：

超透镜可以将传播通过超透镜的光束聚焦在衍射极限焦点中。超透镜可以本质上是色散的。

从点源回到源本身的超表面聚焦光可以被称为共焦超反射镜或超反射镜。该特性保持的点可以称为反馈点。只有在源处于(或足够接近)反馈点时，超反射镜才可以将光聚焦回源。如果源波长在第一级近似内改变少量，则超反射镜的反馈点可以在空间中移动。这种效应可能是由于超表面的焦点的色差引起的。由于超表面类型，色差可以遵循不同的行为。图3示出了法向超反射镜301和离轴45°角的超反射镜302的两个示例。在法向超反射镜301的情况下，反馈点可以在沿超表面轴、沿x方向的路径上移动。在离轴45°角的超反射镜302情况下，路径可以相对于超表面沿着y轴成一定角度。如果光源放置在反馈点的路径上，则它可以经历非常窄的波长范围的光学反馈。这种滤波效应可以用于本文所公开的设备中的波长选择。因为在离轴超表面中波长区分可以更强，所以这些超表面可以用于本文所公开的设备。该路径是局部直的，但是对于波长的大改变(例如，10％的波长变化)该路径可以是弯曲的。在一些实施例中，可以通过设计超表面来设计路径的形状。例如，可以设计超表面，使得路径是用于宽范围的波长(例如，10％的波长变化)的直路径。

可以在中心设计波长处设计反射超表面，以将源自源(例如，点源)的光反射并重新聚焦回至源本身。在设计波长处，当源被放置在一个特定位置中时，可以观察到该行为。这可以被称为反馈点。由于超表面的色差，设计波长周围的非常窄的波长范围可以被聚焦回到刻面，从而实现波长过滤反馈。在其他波长处，空间中不同的超表面反馈点可能会发生相同的行为。作为波长的函数的超表面反馈点的位置可以取决于超表面设计。图3示出了三个波长λ₁<λ₂<λ₃的作为波长的函数的超表面反馈点的位置以及超表面配置的两个不同选择：法向入射(例如，法向超反射镜301)和倾斜入射(离轴超反射镜302)。超表面反馈点的位置可以在第一种情况(法向超反射镜301)中沿着x轴移位，在第二种情况(离轴超反射镜302)中沿着y轴移位。

为了实现期望的相位分布，可以定义晶胞的规则晶格(例如，正方形或矩形)，使得在晶格的每个晶胞处找到一个超表面元件。晶格可以被周期性地选择为亚波长，使得不存在除零级之外的光栅级。元件(例如，介电柱)的集合可以利用作为元件的若干参数(例如，大小)的函数的周期性边界条件来分析或数值模拟，以评估这些元件的完美周期性布置的复杂透射和/或反射相位。适合于该模拟的数值方法示例是严格耦合波分析(rigorouscoupled wave analysis，RCWA)。

可以针对每个参数选择重复模拟，并且每个模拟可以添加超表面库的条目。库可以包括表格，其中，每个条目使所选择的柱几何形状和参数与所实现的透射和/或反射相位和透射率相关。相位和透射率可以被结合在单个复数中。超表面还可以影响入射光的偏振。对于几何形状和参数的每个选择，超表面库可在透射和反射中记录复杂的琼斯矩阵。琼斯矩阵可描述元件的偏振行为。可以通过局部地选择可赋予入射光期望的局部相位的超表面元件来实现相位分布。在一些实施例中，可以考虑偏振。

这种方法(可以被称为单晶胞超表面方法)可包括以下假设：晶胞之间的耦合是可忽略的，从而使得元件的选择仅取决于该位置处的相位。对于使用法向入射的超表面，单晶胞超表面方法可能是有用的。对于离轴超表面，超表面元件的大小可被局部地强制为超表面上的相位分布的周期性的约数。每个元件集群可以是超晶胞，超晶胞可以被优化以考虑相邻元件之间的耦合。该方法可以局部地将超表面近似为超光栅。超光栅可以包括通过以周期性布置重复若干超晶胞形成的光栅。每个超晶胞可以用周期性边界条件严格地模拟，因为它被相同的元件包围。

本文公开了这种方法的概括，其中，超晶胞被直接参数化和模拟并且用作超表面的基本元件，该超表面可以在不同的方向(例如，不同的光栅级)上实现不同的光束图案。与预定晶胞的序列相反，超晶胞的几何形状可以是任意的。因为这种类型的超表面的原始元件可以是超晶胞而不是单个亚波长晶胞，所以这类超表面可以被称为基于超晶胞的超表面。可以通过参数化超晶胞并用周期性边界条件模拟超晶胞，产生类似于单晶胞超表面的基于超晶胞库的超表面。不同之处在于，库的每个条目中的结果都可以包括超晶胞的每个衍射级的琼斯矩阵。如果已知入射光的偏振，库可以可选地包含每个衍射级的琼斯向量。通过在晶格的每个位点选择库中的超晶胞元件，可以在每个级中独立地实现不同的图案，该超晶胞元件更紧密地同时实现所有级中的相位。该方法还可以扩展到基于超晶胞的部分反射超表面，该超晶胞可以实现反射中的一种相位分布和透射中的另一种相位分布。

图4示出了超晶胞在超表面中的光反射、透射和衍射的示意图。衬底401可以是平坦的。衬底401可以是全反射的。衬底401可以是部分透明和部分反射的。超表面可以包括元件402(例如，超表面元件)。元件402可以被制造在衬底401的顶部上。图4描绘了单个超晶胞403在周期性边界条件下的局部行为(例如，假设超晶胞被平铺规则晶格的相同副本包围以形成超光栅)。基于超晶胞的实际超表面可以包括该超光栅的概括，因为相邻的超晶胞可以仅近似相等，以及晶格可能局部失真，以实现光束图案，或者两种策略的组合。例如，晶格可以是曲线晶格。超晶胞可以被设计有局部近似为具有具体角度和偏振的平面波的具体输入光束404。如果基于超晶胞的超表面离源足够远(例如，等于刻面的横向大小的平方除以系统的最小操作波长的量)，则这种假设可以是有效的。超晶胞可以根据超晶胞大小在若干输出光束405、406中反射、透射和衍射输入光束。超晶胞参数的变化可以同时影响所有这些衍射光束(例如，输出状态)的相位、偏振和强度。因此，可以建立库，库允许沿着这些方向中的每个独立控制光束图案。每个输出状态可由其对应的琼斯向量(用狄拉克符号表示)描述。如果入射光的偏振是未知的，则级中的每个都可以更一般地表示为琼斯矩阵算子。

这种概括可以与基于超晶胞变形超表面的晶格兼容以赋予附加相位因子。图5中所示的示例示出了基于超晶胞的超表面，其中，超晶胞元件位于二维中不是完全周期性的晶格上，晶格的列具有圆形几何形状。坐标系可以由以下述方式定义的两个连续函数a(x,y)和b(x,y)来描述：晶格点(例如，超晶胞位于的位置)对应于x和y的值，使得a和b是整数。超晶胞可以用整数(n_a,n_b)索引，从而使得n_a＝a(x,y)和n_b＝b(x,y)。对于基于超晶胞的超表面的一个具体反射或衍射级实现的反射中的复振幅分布可以由下式给出：

其中，N_a,N_b是所考虑级的指数，n_a和n_b是在位置(x,y)处发现的超晶胞的指数，

是针对所考虑级的该晶胞的反射系数(复振幅)。对于单个晶胞超表面，N_a,N_b＝0使得指数仅为1的因子。该晶胞可以被选择以在该位置实现反射相位和振幅。相同的论点可以适用于透明超表面透射的情况。

基于超晶胞的超反射镜以及超表面可以通常被称为超表面。图5所示的示例示出了光源和基于超晶胞502的超表面，以如下方式设计该超晶胞502：光的一部分作为反馈光束聚焦回光源并且一部分作为输出光束被镜面反射。该基于超晶胞502的超表面可以充当分束器，将入射光分成两束光束并且同时作为第一光束的超反射镜和第二光束的反射镜执行。这两束光束的复振幅系数(概括了分光比)可以分别是C₁和C₀。

使用等式3，这个功能可能需要：

将反馈光束分配给第一级，将输出光束分配给零级，可以实现选择坐标系的功能：

其中，h是图5中的超表面超晶胞的高度。每个级的设计相位可以是：

设计相位可以匹配相位分布。分光比可以由超晶胞几何形状和参数确定，并且可以通过从库中选择或优化适当的超晶胞来控制。

图5示出了超晶胞几何形状的若干示例。元件可包括在衬底505(例如，平坦衬底、反射衬底、平坦和反射衬底)的顶部上制造的柱。还示出了可能的单元晶胞506-510的示例的俯视图。以下公开的原型的示例可以使用每个超晶胞的单个柱，尽管也可以使用具有任意几何形状的多个柱。自由形式的超晶胞也可以用相反的设计方法进行优化，尤其用于更先进的功能。对于偏振功能，相关参数可包括嵌入在超晶胞中的一些柱的旋转。

图5示出了基于外腔激光器的超晶胞的超表面设计的示例的示意图。增益介质501可以在面向基于超晶胞502的超表面侧涂覆AR。超晶胞可以被布置在被选择为实现将反馈光束聚焦回增益介质501的涂覆AR侧的晶格中。在该示例中，所有晶胞可沿着y轴具有相同大小且可分布在规则行中。然而，沿着x轴的位置和大小可以是可变的以实现相位分布。列可以包括圆形形状，其中r_MAX 503与r_MIN 504之间的半径被选择为使照亮区的覆盖最大化。衬底505可以是平坦的。可以以许多不同的方式选择超晶胞的几何形状。单位晶胞可以包括单个几何元件。可以使用单个几何元件506。可替代地，在这两种情况下可以使用多个元件507而不限制形状。诸如元件的位置、宽度、长度和高度的参数以及附加几何值可以用于实现不同的衍射输出状态。此外，可利用相反的设计或其他形式的优化来生成任意形状508或像素化图案509。元件510的旋转还可以用作参数，尤其用于实现偏振功能。

可以通过用周期性边界条件用数字模拟每个超晶胞来实现每个级i的复系数C_i(或在琼斯矩阵J_i的最一般的情况下)的确定。此外，可以通过在每个晶格位置处使用不同的超晶胞，沿着每个级设计光束形状，使得复系数或琼斯矩阵可以在超表面上具有缓慢的变化。然后，对于单个晶胞超表面，可以经由菲涅耳衍射确定光束形状，不同之处在于每个级可以实现不同的分布。

II.基于平移台的反射配置中的基于波长可调谐超表面的外腔激光器的示例

本部分公开了基于平移台(例如，平移的台)的反射配置中的基于波长可调谐超表面的外腔激光器的示例。图6示出了在倾斜(离轴)配置中使用的基于超晶胞的超表面的示例，其中，使用在等式6中获得的分布获得反馈和输出光束。图6示出了在倾斜反射配置和发散输出中的基于波长可调谐超表面的外腔激光器的示意图。该示例可包括具有一个HR涂覆刻面(例如，刻面602)和AR涂覆刻面(例如，刻面603)的增益介质601。少量的残余光604可以透射通过HR涂层并且可以用于利用检测器监测激光器功率。如在一些激光二极管中，如果刻面为亚波长，则假设光源是点，可设计基于超晶胞502的超表面(例如，超表面606)，以将光反射回原点。如果刻面更大，则由刻面发射的光605可具有更复杂的图案。在该情况下，第一级上的相位分布可被设计为匹配光束分布，确保反馈光束是由刻面发射的光束的复共轭。这可确保反馈将完全耦合到刻面。输出光束607可以是由刻面发射的光的镜面(零级)反射，因此输出光束607可以是发散的。从增益介质601的AR涂覆端出射的光605可以照射在超表面606上，超表面606将光的部分直接聚焦回AR涂覆激光器并且镜面反射输出光束607中的其余光。可以在超表面606与HR涂层之间产生腔，该腔包括增益介质601。输出光可以是发散的。可以通过利用平移台608改变超表面606的位置来实现波长调谐。

可以使用机械台执行调谐以基于超晶胞和增益介质改变超表面的相对位置。可以存在两个调谐机制，可以在系统中使用这两个调谐机制来调谐所发射的光。第一机制可包括使用基于超晶胞的超表面的色差的粗调谐，例如，通过沿着y轴移动基于超晶胞的超表面来实现。由基于超晶胞的超表面回射并且耦合回激光器的光的部分可以是窄带的，以及中心波长可以取决于沿着y轴的相对位置。该滤波器可以限制可以发射的波长范围。然而，多于一个纵向腔模式可以发出激光，这可能意味着多于一个波长可以同时发出激光，或者可能会发生模式跳跃现象。这可能是由于以下事实：由HR涂层和基于超晶胞的超表面界定的光学腔用作法布里-珀罗谐振器，以及多于一个的谐振可能落入滤波器的范围内。为了选择一个具体波长，可以使用第二微调谐机制。可以通过以波长的部分沿着x轴改变基于超晶胞和增益介质的超表面的相对位置来实现微调谐。这种平移可以不影响粗滤波，但可以改变法布里-珀罗谐振的位置，从而使得可以将一个谐振与基于超晶胞的超表面所实现的粗波长滤波的中心波长对准。可以同时使用这两种机制来将法布里-珀罗腔和滤波器两者调谐至给定波长，这可以允许连续波长调谐。两个调谐机制可用平移台来实现。可以使用由HR涂覆刻面发射的残余光，以利用光电检测器监测激光器功率。在一些实施例中，该系统是紧凑的、连续可调谐的并且允许从增益介质中提取最大功率。基于超晶胞的超表面可以充当分光器并且可以被设计成具有非常低的光学损耗并且在分光比方面具有完全的灵活性。

图7A示出了允许输出光束准直并且在重新配置时不改变方向的配置。该系统可保留从增益介质提取所有可用功率的能力。在该配置中，反馈光束可以被生成为基于超晶胞的超表面的第二衍射级，使得：

将函数a(x,y)除以2以补偿使用第二衍射级而不是第一衍射级的刻面。用于回射至激光器的光束的系数被称为C₂。

对于该级(例如，第二级)，相位分布再次为：

第一衍射级和零衍射级的反射率分布可以读为：

其中，C₁和C₀是对应的系数。第一级所实现的分布可以匹配超透镜的分布。这可以意味着以该级散射的光可作为基于超晶胞衬底沿着垂直于超表面的方向传播的准直光束传播，因为超透镜分布充当由刻面发射的光的准直器。然后，第一级可以用作输出，也可以存在的零级可以被抑制，从而利用超晶胞的适当设计确保C₀＝0，以避免不必要的功率损耗。能够以相同的方式精确地控制分光比。该调谐机制可以是不变的，因为它可以取决于该反馈光束所实现的反射率分布并且不取决于该实现方法。然而，输出光束的方向在调谐时可以是恒定的，因为该方向可以垂直于基于超晶胞的超表面。此效应能够实现具有固定角度准直输出的功率高效的波长可调谐外腔激光器。移动超表面可以在光束中产生非常小的横向偏移；然而，因为光束被准直，这可能不影响设备的性能，并且保持输出光束的对准。

图7A示出了在倾斜反射配置和固定角度准直输出中的基于波长可调谐超表面的外腔激光器的示意图。该系统可以包括增益介质701。增益介质701可以在一侧涂覆有HR涂层并且在另一侧涂覆有AR涂层。增益介质601可以包括一个HR涂覆刻面(例如，刻面702)和AR涂覆刻面(例如，刻面703)。少量的残余光704可以透射通过HR涂层并且可以用于利用检测器监测激光器功率。从增益介质的AR涂覆端出射的光705可以照射在可以将光的部分直接聚焦回AR涂覆激光器的超表面706上。与图3中的配置不同，超表面可被设计成抑制镜面反射，并且输出光束可被生成为通常从超表面706出射的准直光束(例如，输出光束707)。在这种情况下，可以在超表面和HR涂层之间产生腔，该腔包括增益介质。可以通过利用平移台708改变超表面706的位置来实现波长调谐。然而，在此设备中，输出光可以是准直的，在波长调谐时可以不改变输出光束的角度。针对超表面的不同位置的输出光束之间的重叠积分可以接近100％。可以通过经由沿y轴的移位对由腔过滤的波长的粗调谐以及经由沿x轴的移位对腔总长度的微控制来实现波长调谐。图7B示出了基于图7A中所示的设备投射在屏幕(例如，白色屏幕)上的准直输出光束。

图6和图7A中所示的两个设备已经使用683nm二极管激光器进行了实验验证，该二极管激光器具有一个难以接近的HR涂覆刻面和一个暴露的AR涂覆刻面作为增益介质。该部分的提示将公开图6中配置的实验结果。

图8示出了在倾斜反射配置和包括热电冷却元件802的固定角度准直输出中的基于波长可调谐超表面的外腔激光器的示意图。该系统包括激光二极管作为增益介质801。激光二极管可以被安装在热电冷却(TEC)底座上。在该示例中，考虑了TO罐式封装中的激光二极管。通过这些封装，仅一个刻面可以是可接近的并且可以被AR涂覆。在一些实施例中，光电二极管可以被集成在封装中，面向难以接近的HR涂覆刻面。TEC底座可以足够大以有效地消散由具有散热器803的二极管激光器生成的热量，并且TEC底座可以包括用于驱动和监测激光二极管的电子器件和电缆804。可以使用例如用于精确定位的压电致动器将在倾斜反射配置和固定角度准直输出中的超表面806安装在平移台805上。由于设置的几何形状，TEC元件的存在可以阻碍超表面的准直输出(例如，输出光束807)。将反射镜808放置在TEC底座上可以允许输出光束(例如，反射光束)809在设置之外的反射。由于台移动，输出准直光束在波长调谐时可以稍微移位，但是相对于光束的大小，移位可以忽略不计。反射光束809可以无阻碍地远离该设置传播。

图9示出了所制造的超表面的横截面。超表面可包括衬底902。衬底902可以沿着<111>晶面被硅抛光并且被涂覆有1μm厚的银(例如，外延生长的银)层907。银层903可以利用溅射在沿着<111>晶轴切割的单侧抛光硅晶片上外延沉积。银可以足够厚以确保没有光透射通过银层903。可利用原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)来沉积保护层904(例如，10nm厚的Al₂O₃)以防止银由于大气中的氧和硫污染而降解。可沉积10nm厚的ALD氧化铝的保护层904，以促进柱的粘附且保护银层免受大气因素的影响。可以利用诸如电子束光刻(electronbeam lithography，EBL)随后以ALD和反应离子蚀刻(reactive ion etching，RIE)以及抗蚀剂去除的图案化方法来产生超表面元件。元件可包括柱(例如，300nm高的柱)。柱905可由TiO₂制成。可以用ALD氧化钛产生柱905。

图10示出了所制造的超表面1001和超表面1002的详细面板的扫描电子显微镜图像。超晶胞可以包括单个柱。由于所使用的a(x,y)和b(x,y)函数，超晶胞可以具有相同的高度，但是不同的宽度。因此，包括许多超晶胞宽度的库可被优化，并且不同宽度可用于跨超表面。超表面可以被安装在平移台上并借助于显微镜与激光对准。可以通过在显微镜的帮助下检查激光点来进行对准，该激光点被激光器刻面上的超表面回射。白色矩形是柱，暗背景是银涂覆的衬底。在超表面的该区域中，使用了两种不同的超晶胞类型，一种类型在左边，一种类型在右边。超表面1002的详细面板示出了放大，其中，单个超晶胞的边界以叠加的虚线矩形1003示出。

图11示出了所制造的波长可调谐超表面1106的表征。AR涂覆的激光二极管(例如，增益介质1101)可以被安装在TO罐式封装中。激光二极管可以用作增益介质1101。如图4所示，超表面1106可以是倾斜反射和发散输出配置。当超表面1106在45μm范围内沿着y轴在不同位置中移动时(例如，从位置1102到位置1103)，可以粗略地调谐发射波长。输出光束1104的光谱可以用分光计来表征，以及测量可以指示与激光相关联的窄线宽度，可以通过在y方向1105上位移超表面1106来控制该窄线宽度。设备可以覆盖所使用的激光二极管的所有发射范围。可以使用分光计来验证激光并测量发射光的波长。此外，可以相对于电流表征功率，可以观察到清楚的激光阈值。可以在激光二极管的整个增益带宽上调谐激光波长。对于具有准直输出的配置可以获得模拟结果，这可以使用在同一衬底上具有两个柱的超晶胞来实现。图11示出了作为激光电流(mA)的函数的光电二极管电流(μA)的曲线图1107。在具有超表面1106和不具有超表面1106的情况下，输出功率可以由集成光电探测器根据激光电流来监测。激光可以发生于超表面1106。激光阈值在曲线图1107中可见(例如，在40mA和60mA之间)。

激光设备600、700、800、1100可以包括增益介质601、701、801、1101(例如，有源激光介质、激光介质等)。增益介质601、701、801、1101可以包括固态激光介质。固态激光介质可包括半导体激光介质。例如，半导体激光介质可包括用于激光二极管和单极激光器的衬底和/或波导。固态激光介质可包括晶体激光介质。固态激光介质可包括掺杂的玻璃激光介质(例如，掺杂的光纤)。增益介质601、701、801、1101可以包括气体激光介质。增益介质601、701、801、1101可以包括用于染料激光器的染料。增益介质601、701、801、1101可以包括基于量子限制效应的激光介质。例如，基于量子限制效应的激光介质可包括用于量子阱激光器、量子点激光器、量子短划线激光器、量子线激光器或量子级联激光器的衬底和波导。增益介质601、701、801、1101可以是固态激光介质、半导体激光介质、晶体激光介质、掺杂玻璃激光介质、气体激光介质、染料或量子限制效应激光介质中的至少一个。增益介质601、701、801、1101可以包括刻面603、703。增益介质601、701、801、1101可以包括激光二极管。刻面603、703可以包括第一刻面，该第一刻面包括抗反射涂层。激光设备可包括第二刻面，该第二刻面包括反射涂层。增益介质601、701、801、1101可以包括能够放大光的材料或系统。增益介质601、701、801、1101可包括固态激光介质，诸如激光二极管波导。

激光设备600、700、800、1100可包括超表面606、706、806、1106。超表面606、706、806、1106可以包括多个超晶胞502。多个超晶胞502可以以曲线晶格被布置。曲线晶格可包括基于曲线坐标系的晶格，其中坐标线是弯曲的。可以使用在每个点处局部可逆的变换从一组笛卡尔坐标导出坐标。多个超晶胞502中的每个超晶胞可包括一个或更多个元件402(例如，超表面元件)。激光设备600、700、800、1100可占据小于立方厘米的体积。

超表面606、706、806、1106可以被设置在衬底401、505、902上。超表面606、706、806、1106可被配置为将来自刻面603、703的光的第一部分(例如，光605、705)作为反馈光束反射并聚焦回增益介质601、701、801、1101。可以根据一个或更多个元件的位置、一个或更多个元件的尺寸、一个或更多个元件的几何形状、或一个或更多个元件的取向中的至少一个来定义反馈光束的角度和强度。

超表面606、706、806、1106可被配置为以相对于反馈光束的方向为非零的角度将光的第二部分作为输出光束607、707、807、1104反射。可以根据一个或更多个元件的位置、一个或更多个元件的尺寸、一个或更多个元件的几何形状、或一个或更多个元件的取向中的至少一个来定义输出光束607、707、807、1104的角度和强度。可以根据一个或更多个元件的位置、一个或更多个元件的尺寸、一个或更多个元件的几何形状、或一个或更多个元件的取向中的至少一个来定义输出光束607、707、807、1104的偏振和形状。可以根据一个或更多个元件的位置、一个或更多个元件的尺寸、一个或更多个元件的几何形状、或一个或更多个元件的取向中的至少一个来定义输出光束607、707、807、1104的相位及形状。

超表面606、706、806、1106可被配置为将反馈光束聚焦在用于第一操作波长的第一点(例如，I₁)、用于第二操作波长的第二点(例如，I₂)、以及用于第三操作波长的第三点(例如，I₃)处。第一操作波长可以不同于第二操作波长。第一操作波长可以不同于第三操作波长。第二操作波长可以不同于第三操作波长。第一点、第二点和第三点可以位于直线305上。

在一些实施例中，相对于增益介质601、701、801、1101空间地平移超表面606、706、806、1106修改了反馈光束的波长(例如，反馈光束波长)。例如，相对于增益介质601、701、801、1101空间地平移超表面606、706、806、1106修改了操作激光波长。相对于增益介质601、701、801、1101空间地平移超表面606、706、806、1106可使输出光束607、707、807、1104的角度保持不变。相对于增益介质601、701、801、1101空间地平移超表面606、706、806、1106可包括在保持增益介质601、701、801、1101的位置固定的同时改变超表面606、706、806、1106的位置。可以改变超表面606、706、806、1106的位置以调谐激光器的操作波长。激光设备可包括一个或更多个平移台608、708，一个或更多个平移台608、708被配置为相对于增益介质601、701、801、1101空间地平移超表面606、706、806、1106。相对于增益介质601、701、801、1101空间地平移超表面606、706、806、1106可以修改反馈光束的波长而不改变输出光束607、707、807、1104的角度。

超表面606、706、806、1106可以被配置为以正交于衬底401、505、902的平面的角度反射输出光束607、707、807、1104。输出光束707、807可以是准直光束。当空间地平移超表面606、706、806、1106以修改操作波长时，准直光束可以不改变方向。可以改变衬底401、505、902的位置以调谐激光器的操作波长。

在一些实施例中，激光设备包括热电冷却元件802。激光设备可包括设置在热电冷却元件802或增益介质的衬底(例如，增益介质衬底)上的反射镜808。反射镜808可被配置为接收来自超表面806的输出光束807并将输出光束807反射远离热电冷却元件802或增益介质的衬底。

在一些实施例中，激光设备包括设置在增益介质601、701、801、1101与超表面606、706、806、1106之间的空间光调制器(例如，电可重新配置元件1506)。空间光调制器可被配置为调谐输出光束607、707、807、1104的波长(例如，输出光束波长)。包括空间光调制器的激光设备可实现输出光束607、707、807、1104的波长调谐，而不需要移动部件。在一些实施例中，空间光调制器可以直接集成到超表面上。例如，空间光调制器可以耦接至超表面。

III.基于平移台的透射配置中的基于波长可调谐超表面的外腔激光器的示例

本部分公开了基于平移台的透射配置中的基于波长可调谐超表面的外腔激光器的示例。图12示出了法向透射配置中的基于波长可调谐超表面的外腔激光器。该系统包括增益介质1201。增益介质1201可以在一侧涂覆有HR涂层，并且在另一侧涂覆有AR涂层。增益介质1201可包括HR涂覆刻面(例如，刻面1202)和AR涂覆刻面(例如，刻面1203)。少量的残余光1204可以透射通过刻面1202(例如，HR涂层)并且可以用于利用检测器监测激光器功率。从增益介质1201的AR涂覆端出射的光1205可以照射在超表面1206上，该超表面1206可以将光的部分作为反馈光束直接聚焦回AR涂覆激光器并且将透射光束1208中的其余光透射。可以在超表面1206与HR涂层之间产生腔，该腔包括增益介质1201。输出光可以是发散的。对于该法向超表面，在不改变超表面1206的取向的情况下，可以利用平移台1207在X方向上移动超表面1206来实现波长调谐。透射光束1208(例如，发散透射光束)的方向和发散可以不因平移而改变。在一些实施例中，透镜1209或抛物面反射镜可用于准直光束以形成准直光束1210(例如，输出准直光束)。准直光束1210可以保持准直并且在波长调谐时可以在相同方向上传播，而不管超表面1206的位置如何。

图13示出了离轴透射配置中的基于波长可调谐超表面的外腔激光器。该系统包括增益介质1301。增益介质1301的一侧涂覆有HR涂层，并且另一侧涂覆有AR涂层。增益介质1301可包括HR涂覆刻面(例如，刻面1302)和AR涂覆刻面(例如，刻面1303)。少量的残余光1304透射通过HR涂层并且可以用于利用检测器监测激光器功率。从增益介质1301的AR涂覆端出射的光1305可以照射在超表面1306上，该超表面1306将光的部分作为反馈光束直接聚焦回AR涂覆激光器并且将透射光束1308中的其余光透射。在超表面1306与HR涂层之间产生腔，该腔包括增益介质1301。输出光可以是发散的。对于离轴(例如，倾斜)超表面1306，在不改变超表面1306的取向的情况下，可以通过利用平移台1307在y方向上移动超表面1306来实现粗波长调谐。可以使用超表面1306的倾斜取向来实现对于粗选择性的更高选择性，并且允许通过在x方向上移动超表面1306来微调谐腔长度。透射光束1308(例如，发散透射光束)的方向和发散可以不因平移而改变。因此，透镜1309或抛物面反射镜可以用于准直光束以形成准直光束1310(例如，输出准直光束)。准直光束1310可以保持准直并且在波长调谐时可以在相同方向上传播，而不管超表面1306的位置如何。

图12和图13示出了实施例的示例，其中，超表面在反射中实现相位分布以向增益介质提供反馈，而超表面在透射中实现恒定相位分布。关于在反射中操作的实施例的差异可以是输出光束透射通过超表面。该反馈能够以反射的方式产生，并且具有本文档中先前公开的相同原理。法向配置和离轴配置都可用于这些实施例。在这两种情况下，透射配置可包括通过超表面的平移而保持不变的透射光束1208、1308(例如，输出光束、发散透射光束)。为了获得准直光束1210、1310，可以使用透镜1209、1309(例如，辅助透镜)，在波长调谐时，准直输出(例如，准直光束1210、1310)1403可以是稳定的。对于这些配置，可以在激光器和透镜可以固定在适当位置的同时，利用平移台来移动超表面。

图14示出了反馈场中的轨道角动量奇点。基于在反馈光束中引入轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)奇点，针对法向入射配置的情况，本文公开了附加反馈方案。对于在图7A中示出的透射配置1401中的超表面的情况，公开了两个不同的实施例。第一超表面示例可以实现均匀透射相位(面板1402)和反射相位(面板1403)。该第一超表面示例可以不包括OAM奇点。均匀透射相位(面板1402)和反射相位(面板1403)可将光聚焦回增益介质刻面(聚焦反馈)。对于给定波长，增益介质上的最终反馈的标准化振幅和相位可被绘制为超表面的x、y位移的函数。标准化反馈振幅(面板1404)可以示出当增益介质刻面被精确地放置在超表面聚焦中心时获得的最大值，而相位无法示出任何相关特征(面板1405)。对于第一种情况(无OAM，面板1402至1405)，面板1402和1403可以示出当没有使用OAM奇点时透射和反射中的相位分布。透射相位可以是恒定的，使得通过超表面的光的部分不变。反射相位可以实现等式(2)中描述的超反射镜功能。可以执行计算以计算刻面上的反馈的复振幅(包括振幅和相位)作为超表面的位移的函数，并且在面板1404和1405中示出。当刻面被放置在反馈点中时，可以发现最大值，并且振幅远离该位置减小。在一些实施例中，相位没有发生相关变化。这两个面板是针对x和y位移绘制的，其中曲线图的原点对应于激光器的刻面恰好在超表面的反馈点中的位置。

第二超表面示例可以实现透射(面板1406)中的恒定相位，但是在反射相位(面板1407)中可具有附加方位角相位因子。该第二超表面示例可以包括OAM奇点。作为超表面的x、y位移的函数的标准化反馈振幅(面板1408)可以示出在中心(面板1409)具有相位奇点的环形强度。后者配置可允许同时(例如，改变增益介质的刻面和超表面之间的距离)调谐反馈粗滤波、(例如，通过横向移动超表面、探索环形反馈的不同区域)调谐反馈振幅和相位。对于第二种情况(具有OAM奇点，面板1406至1409)，可以在反射中引入附加相位因子。使用超表面上的极坐标系(使得x＝r cosθ、y＝r sinθ)，可以通过将复振幅乘以exp(ilθ)来引入附加相位因子，其中，i是虚数单位，l是被称为OAM奇点的拓扑电荷的整数。在一些实施例中，l＝1。反射光束的最终相位分布可以是：

反射相位可以在面板(面板1407)中表示并且采用螺旋几何形状。透射相位可以通过选择同时满足两个相位分布的适当超表面元件而保持不变。反馈振幅和相位在面板1408和1409中示出。强度在围绕在发现奇点的中心处的暗区域的环上可以是最大的。该相位可以根据所选择的l的值在方位角上改变。这可意味着可以通过相对于增益介质的刻面在(x，y)平面中位移超表面来选择光学反馈的强度和相位。z平面中的运动可以替代地用于调谐粗滤波。因此，该配置可以提供对反馈的所有参数的最大灵活性。

激光设备1200、1300可以包括增益介质1201、1301(例如，有源激光介质、激光介质等)。增益介质1201、1301可以包括固态激光介质。固态激光介质可以包括半导体激光介质。例如，半导体激光介质可以包括用于激光二极管和单极激光器的衬底和/或波导。固态激光介质可以包括晶体激光介质。固态激光介质可包括掺杂的玻璃激光介质(例如，掺杂的光纤)。增益介质1201、1301可以包括气体激光介质。增益介质1201、1301可以包括用于染料激光器的染料。增益介质1201、1301可以包括基于量子限制效应的激光介质。例如，基于量子限制效应的激光介质可包括用于量子阱激光器、量子点激光器、量子短划线激光器、量子线激光器或量子级联激光器的衬底和波导。增益介质1201、1301可以是固态激光介质、半导体激光介质、晶体激光介质、掺杂玻璃激光介质、气体激光介质、染料或量子限制效应激光介质中的至少一种。增益介质1201、1301可以包括刻面1203、1303。增益介质1201、1301可以包括激光二极管。刻面1203、1303可以包括第一刻面，该第一刻面包括抗反射涂层。激光设备可包括第二刻面，该第二刻面包括反射涂层。增益介质1201、1301可以是能够放大光的材料或系统。增益介质1201、1301可以包括固态激光介质，诸如激光二极管波导。

激光设备1200、1300可包括超表面1206、1306。超表面1206、1306可以包括多个超晶胞502。多个超晶胞502可以以曲线晶格被布置。曲线晶格可包括基于曲线坐标系的晶格，其中坐标线是弯曲的。可以使用在每个点处局部可逆的变换从一组笛卡尔坐标导出坐标。多个超晶胞502中的每个超晶胞可包括一个或更多个元件402(例如，超表面元件)。激光设备1200、1300可占据小于立方厘米的体积。

超表面1206、1306可以被设置在衬底401、505、902上。超表面1206、1306可被配置为将来自刻面1203、1303的光的第一部分(例如，光1205、1305)作为反馈光束反射并聚焦回增益介质1201、1301。可以根据一个或更多个元件的位置、一个或更多个元件的尺寸、一个或更多个元件的几何形状、或一个或更多个元件的取向中的至少一个来定义该反馈光束的角度和强度。

超表面1206、1306可被配置为将光的第二部分(例如，透射光束1208、1308)作为输出光束透射通过超表面1206、1306远离刻面1203、1303。可以根据一个或更多个元件的位置、一个或更多个元件的尺寸、一个或更多个元件的几何形状、或一个或更多个元件的取向中的至少一个来定义透射光束1208、1308的角度和强度。可以根据一个或更多个元件的位置、一个或更多个元件的尺寸、一个或更多个元件的几何形状、或一个或更多个元件的取向中的至少一个来定义透射光束1208、1308的偏振和形状。可以根据一个或更多个元件的位置、一个或更多个元件的尺寸、一个或更多个元件的几何形状、或一个或更多个元件的取向中的至少一个来定义透射1208、1308的相位和形状。

超表面1206、1306可被配置为将反馈光束聚焦在用于第一操作波长的第一点(例如，I₁)、用于第二操作波长的第二点(例如，I₂)、以及用于第三操作波长的第三点(例如，I₃)处。第一操作波长可以不同于第二操作波长。第一操作波长可以不同于第三操作波长。第二操作波长可以不同于第三操作波长。第一点、第二点和第三点可以位于直线305上。

在一些实施例中，相对于增益介质1201、1301空间地平移超表面1206、1306修改了反馈光束的波长。例如，相对于增益介质1201、1301空间地平移超表面1206、1306修改了操作激光波长。相对于增益介质1201、1301空间地平移超表面1206、1306可以包括在保持增益介质1201、1301的位置固定的同时改变超表面1206、1306的位置。可以改变超表面1206、1306的位置以调谐激光器的操作波长。激光设备可以包括平移台1207、1307，平移台1207、1307被配置为相对于增益介质1201、1301空间地平移超表面1206、1306。相对于增益介质1201、1301空间地平移超表面1206、1306可以修改反馈光束的波长而不改变透射光束1208、1308的方向。

激光设备可以包括透镜1209、1309，透镜1209、130被配置为准直来自超表面1206、1306的透射光束1208、1308。超表面1206、1306可被配置为提供输出光束作为准直光束1210。超表面1206、1306可被配置为直接透射准直光束1210。

在一些实施例中，激光设备包括设置在增益介质1201、1301与超表面1206、1306之间的空间光调制器(例如，电可重新配置元件1506)。空间光调制器可被配置为调谐透射光束1208、1308的波长。包括空间光调制器的激光设备可以实现透射光束1208、1308的波长调谐，而无需移动部件。

IV.具有电可调谐超表面的基于波长可调谐超表面的外腔激光器的示例

本部分公开了电可调谐超表面的示例。在一些实施例中，电可调谐光学材料和/或组件可以被嵌入在超表面中以实现电可调谐相位分布。在一些实施例中，电可调谐超表面可以用于诸如光束转向的应用，以及可以通过例如液晶、电门控2D材料、电光聚合物、电门控铟锡氧化物、相变材料、微机电系统(MEMS)、非线性材料来实现电可调谐超表面。在一些实施例中，电可调谐超表面可以基于电调谐激光器的发射波长，而不使用任何机械台。即使采用离散数量的电控制通道，也可以实现相位分布的连续控制。

图15示出了电可调谐超表面外腔激光器。该系统包括例如安装在冷却底座1502上的激光二极管1501(例如，增益介质)。可以在平坦衬底1504上制造超表面1503，平坦衬底1504被在安装在印刷电路板(PCB)1505上。在一些实施例中，一旦该系统对准，就无法移动部件。在一些实施例中，机械台可用于对准系统，但不用于实现波长可调谐性。可以使用到超表面的电控制信号来实现波长可调谐性。在一些实施例中，电可调谐材料或设备可以被嵌入在超表面1503中、放置在超表面1503上方、或者放置在超表面1503与增益介质之间。电可调谐材料或设备可包括电可重新配置元件1506，该电可重新配置元件1506电连接为离散的一组元件。元件1506中的每个可以被电调谐。例如，元件1506可以包括空间光调制器(spatial light modulator，SLM)。SLM可位于距超表面1503一定距离处。SLM可以包括微镜SLM或液晶SLM。元件可以包括可调谐像素。超表面可以类似于图5、图6、图9、图10和图11中的实验演示器，以及超表面可以具有可以电寻址的附加电可重新配置元件1506(例如，可调谐像素)。这些元件1506可大于超晶胞，并且可直接集成在超表面上或者作为单独的设备放置在超表面与激光增益介质之间。每个元件1506可被设计以在反馈中赋予附加相位因子而不影响输出光束。可以经由单位晶胞的数值优化来实现设计条件。每个调谐元件可以经由金属互连1507和焊线1508连接到PCB上的焊盘1509。PCB控制电路可以用不同的电压1510驱动可重新配置的元件，使得可以单独地控制由每个元件赋予的附加相位。这可以允许对反馈图案和激光波长的电控制。

超表面的总相位分布可包括由超晶胞产生的相位分布加上可以使用电可调谐像素添加的相位分布的总和，该电可调谐像素充当光学响应的局部相位调制。可调谐像素可以具有与超表面元件相同的大小或具有更大的大小。使用更大的大小可易于制造，同时仍允许在激光的全范围上调谐发射波长。为了实现这一点，当跨所有像素的电压恒定时，可以制造超表面以在增益介质的中心波长λ_c处实现超反射镜功能。这可以暗示相位分布是：

其中，k_0C＝2π/λ_c。给定目标波长λ_t的相位分布为：

其中，k_0t＝2π/λ_t。使用电压控制像素可以实现这种分布，以实现相位分布的差，即：

以这种方式，实现的总相位分布可以包括由超晶胞实现的相位分布

和由可调谐像素产生的附加相位分布

之和，这可以根据需要给出

以生成目标波长。

因为增益介质的波长范围与中心波长相比可以是小的，所以有待用电装置实现的微分相位分布

可以具有小的空间梯度。在一些实施例中，可以用大电压控制像素来实现该系统。例如，对于在700nm下操作的具有10nm的调谐范围的激光二极管，像素大小可以比超表面超晶胞大高达70倍，同时仍然实现具有足够近似的差分相位分布。像素大小可以具有几十微米量级的大小并且可以更容易制造。可通过适当地调制每个像素上的电压来实现波长的连续调谐，以控制电可调谐超表面的总相位分布。图15示出了如何通过将超晶胞晶格和可调谐像素两者成形为圆形区域来实现这一点，使得相位具有径向分布并且在整个圆形区域上电压可以是相同的。在一些实施例中，可以制造使用全二维空间光调制的系统。

V.用于基于波长可调谐超表面的外腔激光器的附加实施例

在一些实施例中，该系统包括未涂覆、涂覆HR、或涂覆AR、或它们的一些组合的刻面。在一些实施例中，由刻面发射的光束不耦合到超表面并且可直接用作输出光束。

在一些实施例中，相对于增益介质保持超表面固定，增益介质随平移台移动。在一些实施例中，超表面和增益介质两者都安装在平移台上。在一些实施例中，机械台是手动、机动或压电中的至少一种。

在一些实施例中，增益介质包括固态增益芯片或激光器(例如，量子级联激光器、激光二极管、量子阱激光器、量子点激光器、光纤激光器、气体激光器、染料激光器、或金属蒸气激光器)。在一些实施例中，激光器可以发射可见光谱中的光或辐射。在一些实施例中，激光器可以发射近红外或中红外光谱中的光或辐射。

在一些实施例中，基于超晶胞的超表面用于设计输出光束的辐射图案和/或偏振。在一些实施例中，基于超晶胞的超表面用于以任意图案和偏振图案对输出光束和反馈光束进行成形。

在一些实施例中，增益介质支持多个偏振，超表面可以用于选择该腔中的激光模式的偏振。这可以通过根据入射光的偏振设计具有不同图案的反馈光束来实现，可以通过移位超表面和激光器的相对位置来选择偏振。对于不同的位置，可以针对不同的偏振实现最大往返增益，这可以确定激光模式的偏振。类似于前述的OAM奇点，可以通过在反馈光束中添加偏振奇点来引入这个功能。

在一些实施例中，同时为多于一个波长产生反馈。例如，这可以通过交错两个单独的超表面(例如，产生具有取自两个单独的超表面设计的交替元件的超表面，获得可同时执行两个功能的超表面)来实现。该方法可以推广到基于本文所公开的超晶胞的超表面。在两个单独的波长上产生反馈可以在若干增益介质(诸如QCL、量子点激光器(QDL)和激光二极管)中诱导多模激光。可以利用在相同介质中诱导多波长激光来实现增益介质内的差频生成(difference frequency generation，DFG)，该机制可用于经由光混合或类似非线性现象来生成较长波长(包括太赫兹范围)处的相干光或射频信号。

在一些实施例中，反馈发生在多个波长上，其中设计的相位关系用于在时域中对激光信号进行被动锁模。这包括设计当多于一个波长可以发出激光时在激光器系统中(例如，在时域或频域中)生成的频率梳的相位和振幅包络，可以经由锁模使波长同步。可以使用超表面中的简单方案来实现光脉冲的时域控制。

在一些实施例中，非线性材料或可饱和吸收器被嵌入在超表面中或作为辅助光学组件以实现锁模方案。在一些实施例中，电可调谐超表面包括用于驱动超表面元件以实现主动锁模方案的射频信号。

在一些实施例中，由增益介质发射的光束是散光的，超表面设计允许矫正散光。由刻面发射的散光束可以从不同横截面的不同点发散。因此，使用法向透镜可能无法将光束聚焦到衍射极限点。许多激光二极管设计可以显示出强散光且可能不适合于外腔激光器。然而，本文公开的基于超晶胞方法的超表面可以允许反馈光束的成形和散光的补偿。因此，此方法甚至可与散光激光二极管或其他散光增益芯片或介质兼容。增益介质可以是散光固态激光器，超表面可以补偿散光以增加输出功率。

在一些实施例中，超表面用于选择增益介质中的横向模式。例如，对于高功率激光二极管，波导更大以产生更多的功率，从而导致可能有多于一个模式沿着其传播。利用输出光束的适当设计，可以选择性地产生用于一个模式的反馈，同时抑制其他模式。

在一些实施例中，超表面耦合至一个以上的增益介质。例如，增益介质中的一个可用于放大由作为主腔的一部分的另一个生成的信号。在另一示例中，更多增益介质可以并行工作，超表面可以用于组合每个光束以获得高功率输出光束。在一些实施例中，每个增益介质可以在不同的重叠波长范围处提供增益，该系统可以在跨波长范围的联合上提供无缝的连续波长调谐。

在一些实施例中，输出光束被设计成将光聚焦在光纤刻面上，使得最终系统经由光纤输出光。在一些实施例中，超表面可以充当到附加高精细的光学腔的耦合器，附加高精细的光学腔可以在不影响超表面的对准的情况下被替换和改变。

在一些实施例中，一个或更多个辅助超表面与形成如上所述的腔的主超表面一起使用。辅助超表面可以安装在平移台上并具有以下功能：(1)在反馈光束或输出光束上的透射中实现附加光束形成/成形和偏振光学器件，(2)在外腔内实现不连续性，以经由Vernier效应实现波长选择的更高选择性。实现的粗滤波器可能不足以选择一个单一波长。标准量具可增加腔的微调谐并抑制不需要的模式跳跃。

在一些实施例中，在该准直输出之后放置部分反射镜，以实现分成两部分的有效更长的腔，该腔还示出了Vernier效应，因此可以实现对该微调谐机制的更好控制。在一些实施例中，辅助透镜和曲面反射镜用于使输出光束成形。

在一些实施例中，纳米级元件包括半导体、氧化物(例如，金属或非金属氧化物)、氮化物(例如，金属或非金属氮化物)、硫化物(例如，金属或非金属硫化物)、纯元素、或这些中的两种或更多种的组合。在一些实施例中，纳米级元件可以包括电介质材料。合适的电介质材料的示例包括金属氧化物和非金属氧化物(诸如，铝的氧化物(例如，Al₂O₃)、硅的氧化物(例如，SiO₂)、铪的氧化物(例如，HfO₂)、锌的氧化物(例如，ZnO)、镁的氧化物(例如，MgO)、或钛的氧化物(例如，TiO₂))、金属氮化物和非金属氮化物(诸如，硅的氮化物(例如，Si₃N₄)、硼的氮化物(例如，BN)、或钨的氮化物(例如，WN))、金属硫化物和非金属硫化物、和纯元素(例如，用于在近红外和中红外波长下操作的硅)。

在一些实施例中，第一多个纳米级元件可以包括纳米柱(例如，柱状、三维结构或体积)。在一些实施例中，纳米级元件是相对于超表面光栅的表面法向具有非零倾斜角度的倾斜纳米柱。在一些实施例中，非零倾斜角度为约1度或更大、约2度或更大、约5度或更大、或约10度或更大。

在一些实施例中，该光学设备可以包括透射衬底，该透射衬底包括玻璃或聚合物。第一多个纳米级元件和/或第二多个纳米级元件可以被设置在透射衬底上。在一些实施例中，衬底在可见光谱中是透明的，诸如聚合物衬底、玻璃衬底或包括熔融二氧化硅的衬底。在可见光谱中透明的合适衬底在可见光谱或可见光谱中的设计或工作波长上可具有至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约85％、至少约90％或至少约95％的透光率。

本说明书中所描述的主题和操作的实施例(包括本说明书中所公开的结构及其结构等效物)可以在数字电子电路中实现，或者在计算机软件、固件或硬件中实现，或者在它们中的一个或更多个的组合中实现。本说明书中描述的主题可被实现为一个或更多个计算机程序，例如，在一个或更多个计算机存储介质上编码的计算机程序指令的一个或更多个电路，以供数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。可替代地或附加地，可以在人工生成的传播信号(例如，机器生成的电、光或电磁信号)上对程序指令进行编码，该信号被生成以对用于透射至合适的接收器装置以供数据处理装置执行的信息进行编码。计算机存储介质可以是或包括在计算机可读存储设备、计算机可读存储衬底、随机或串行存取存储器阵列或设备、或它们中的一个或更多个的组合中。此外，虽然计算机存储介质不是传播信号，但是计算机存储介质可以是编码在人工生成的传播信号中的计算机程序指令的源或目的地。计算机存储介质还可以是或包括在一个或更多个单独的组件或介质(例如，多个CD、盘或其他存储设备)中。

可以由数据处理装置对存储在一个或更多个计算机可读存储设备上或从其他源接收的数据执行本说明书中描述的操作。术语“数据处理装置”或“计算设备”包括用于处理数据的各种装置、设备和机器，包括例如可编程处理器、计算机、片上系统、或多个可编程处理器、多个计算机、多个片上系统或上述的组合。该装置可以包括专用逻辑电路，例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。除了硬件之外，该装置还可以包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、跨平台运行时环境、虚拟机、或它们中的一个或更多个的组合的代码。装置和执行环境可以实现各种不同的计算模型基础设施，诸如web服务、分布式计算和网格计算基础设施。

计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以以任何形式的编程语言(包括编译或解释语言、声明性或过程语言)编写，并且可以以任何形式(包括作为独立程序或作为电路、组件、子例程、对象或适于在计算环境中使用的其他单元)部署。计算机程序可以(但不必)对应于文件系统中的文件。程序可以被存储在保存其他程序或数据的文件的一部分(例如，存储在标记语言文档中的一个或更多个脚本)中、专用于所讨论的程序的单个文件中、或多个协调的文件(例如，存储一个或更多个电路、子程序、或代码的部分的文件)中。计算机程序可以被部署为在位于一个站点或分布在多个站点并且通过通信网络互连的一台或更多台计算机上执行。

举例来讲，适合于执行计算机程序的处理器包括微处理器和数字计算机的任何一个或更多个处理器。处理器可以从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机的元件是用于根据指令执行动作的处理器和用于存储指令和数据的一个或更多个存储器设备。计算机可以包括用于存储数据的一个或更多个大容量存储设备(例如，磁盘、磁光盘或光盘)，或计算机可操作地耦接以从用于存储数据的一个或更多个大容量存储设备(例如，磁盘、磁光盘或光盘)接收数据或向用于存储数据的一个或更多个大容量存储设备(例如，磁盘、磁光盘或光盘)传送数据或两者。计算机不需要具有这种设备。此外，计算机可以被嵌入在另一设备中，例如，个人数字助理(PDA)、全球定位系统(GPS)接收器、或便携式存储设备(例如，通用串行总线(USB)闪存驱动器)等。适合于存储计算机程序指令和数据的设备包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，包括例如半导体存储器设备(例如，EPROM、EEPROM和闪存设备)；磁盘(例如，内部硬盘或可移动盘)；磁光盘；以及CD ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或并入专用逻辑电路中。

为了提供与用户的交互，本说明书中所描述的主题的实现方式可以在计算机上实现，该计算机具有用于向用户显示信息的显示设备(例如，CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示)监视器)以及键盘和定点设备(例如，鼠标或轨迹球)，用户可以通过键盘和定点设备向计算机提供输入。也可以使用其他类型的设备来提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感官反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈)，以及可以任何形式接收来自用户的输入，包括声音、语音或触觉输入。

本文描述的实现方式可以用许多方式中的任何方式(包括例如使用硬件、软件或其组合)来实现。当以软件实现时，软件代码无论是被提供在单个计算机中还是分布在多个计算机中，都可以在任何合适的处理器或处理器集合上执行。

此外，计算机可以具有一个或更多个输入设备和输出设备。这些设备尤其可用于呈现用户接口。可用于提供用户接口的输出设备的示例包括用于输出的视觉呈现的打印机或显示屏以及用于输出的可听呈现的扬声器或其他声音生成设备。可用于用户接口的输入设备的示例包括键盘和定点设备，诸如鼠标、触摸板和数字化平板。作为另一示例，计算机可以通过语音识别或以其他可听格式接收输入信息。

这种计算机可以通过以任何合适形式的一个或更多个网络(包括局域网或广域网，诸如企业网、和智能网(IN)或互联网)互连。这样的网络可以基于任何合适的技术，可以根据任何合适的协议操作，可以包括无线网络、有线网络或光纤网络。

用于实现本文所描述的功能性的至少一部分的计算机可以包括存储器、一个或更多个处理单元(本文也被简称为“处理器”)、一个或更多个通信接口、一个或更多个显示单元、以及一个或更多个用户输入设备。存储器可以包括任何计算机可读介质，并且可以存储用于实现本文所描述的各种功能的计算机指令(本文也称为“处理器可执行指令”)。处理单元可用于执行指令。通信接口可耦接至有线或无线网络、总线或其他通信装置，因此可允许计算机将通信传输至其他设备或从其他设备接收通信。显示单元可被设置为例如允许用户查看与指令的执行相关的各种信息。可以提供用户输入设备，例如以允许用户在指令的执行期间进行手动调整、进行选择、输入数据或各种其他信息、或以不同方式中的任一种与处理器交互。

本文概述的各种方法或过程可以被编码为在一个或更多个处理器上可执行的软件，一个或更多个处理器使用不同操作系统或平台中的任何一个。此外，这样的软件可以使用多种合适的编程语言或编程或脚本工具中的任何一种来编写，并且还可以被编译为在框架或虚拟机上执行的可执行机器语言代码或中间代码。

该方面中，不同发明概念可以被实施为用一个或更多个程序编码的计算机可读存储介质(或多个计算机可读存储介质)(例如，计算机存储器、一个或更多个软盘、致密盘、光盘、磁带、闪存、现场可编程门阵列或其他半导体器件中的电路配置、或其他非暂时性介质或有形计算机存储介质)，当在一个或更多个计算机或其他处理器上执行时，一个或更多个程序执行实现以上讨论的解决方案的各种实施例的方法。一个或更多个计算机可读介质可以是可传输的，使得存储在一个或更多个计算机可读介质上的一个或更多个程序可以被加载到一个或更多个不同的计算机或其他处理器上以实现如以上讨论的本解决方案的各个方面。

本文使用的术语“程序”或“软件”指代任何类型的计算机代码或计算机可执行指令集，可以采用计算机代码或计算机可执行指令集对计算机或其他处理器进行编程以实现如以上所讨论的实施例的各个方面。在执行时执行本解决方案的方法的一个或更多个计算机程序不需要驻留在单个计算机或处理器上，而是可以以模块化的方式分布在多个不同的计算机或处理器中，以实现本解决方案的各个方面。

计算机可执行指令可以是由一个或更多个计算机或其他设备执行的许多形式，诸如程序模块。程序模块可以包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构或其他组件。程序模块的功能性可以在各种实施例中根据需要被组合或分布。

同样，数据结构可以任何合适的形式存储在计算机可读介质中。为了简化说明，数据结构可被示出为具有通过数据结构中的位置而相关的字段。这样的关系同样可以通过在计算机可读介质中为字段分配具有传达字段之间的关系的位置的存储来实现。然而，可以使用任何合适的机制(包括通过使用指标、标签或建立数据元件之间的关系的其他机制)来建立数据结构的字段中的信息之间的关系。

如本文所使用的，除非上下文另有明确规定，否则单数术语“一个”、“一种”和“该”可以包括复数指示物。

除非另外规定，否则空间描述(诸如“上方”、“下方”、“向上”、“左”、“右”、“向下”、“顶部”、“底部”、“竖直的”、“水平的”、“侧面”、“更高的”、“更低的”、“上面的”、“在上方”、“上方的”、“下方的”等)是相对于图中所示的取向指示的。应理解，本文中所使用的空间描述仅出于说明的目的，且本文中所描述的结构的实际实施方式可在空间上以任何取向或方式布置，前提是这种布置不偏离本公开的实施例的优点。

如本文所使用的，术语“近似”、“基本上”、“实质上”和“约”用于描述和解释小变化。当与事件或情况结合使用时，术语可以指事件或情况精确地发生的实例以及事件或情况非常接近地发生的实例。例如，当与数值结合使用时，该术语可以指小于或等于该数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％。例如，如果值之间的差小于或等于值的平均值的±10％(例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％)，则这两个数值可以被认为是“基本上”相同的。

此外，数量、比率和其他数值在本文中有时以范围格式呈现。应当理解，这样的范围格式是为了方便和简洁而使用的，应当灵活地理解为包括明确指定为范围限制的数值，但也包括涵盖在该范围内的所有单独的数值或子范围，如同明确指定每个数值和子范围一样。

对本文以单数形式提及的系统和方法的实现方式或元件或动作的任何引用可以包括包含多个这些元件的实现方式，并且对本文的任何实现方式或元件或动作的复数形式的任何引用可以包括仅包含单个元件的实现方式。以单数或复数形式的引用并不旨在将本公开的系统或方法、其组件、动作或元件限制为单个配置或复数配置。对基于任何信息、动作或元件的任何动作或元件的引用可包括动作或元件至少部分地基于任何信息、动作或元件的实现方式。

本文公开的任何实现方式可以与任何其他实现方式组合，并且对“实现方式”、“一些实现方式”、“替代实现方式”、“各种实现方式”、“一个实现方式”等的引用不一定相互排斥，并且旨在指示结合实现方式描述的特定特征、结构或特性可以包括在至少一个实现方式中。如本文中所使用的这种术语不一定全部指代同一实现方式。任何实现方式可以包括地或排他地以与本文所公开的方面和实现方式相一致的任何方式与任何其他实现方式组合。

对“或”的引用可以被解释为包括在内，从而使得使用“或”所描述的任何术语可以指示所描述的术语中的单个、多于一个、和全部中的任一个。对术语的联合列表中的至少一个的引用可被解释为包括OR，以指示单个、多于一个和全部描述的术语中的任一个。例如，对“A”和“B”中至少一个的引用可以包括仅“A”、仅“B”、以及“A”和“B”两者。还可以包括除“A”和“B”之外的元素。

在不背离本文的特征的情况下，本文描述的系统和方法可以以其他具体形式体现。前述实现方式是说明性的而非限制所描述的系统和方法。

在附图、详细描述或任何权利要求中的技术特征附有参考符号的情况下，则已经包括了参考符号以增加对附图、详细描述和权利要求的可理解性。因此，参考符号及其不存在对任何权利要求要素的范围都没有任何限制作用。

本文描述的系统和方法可以在不偏离本文特征的情况下以其他具体形式体现。前述实现方式是说明性的而非限制所描述的系统和方法。因此，本文中描述的系统和方法的范围由所附权利要求指示而不是前述描述指示，并且在权利要求的等同的含义和范围内的变化包括在所附权利要求中。

虽然已经参考本公开的具体实施例描述和示出了本公开，但这些描述和图示并不限制本公开。本领域技术人员应当理解，在不背离由所附权利要求限定的本公开的真实精神和范围的情况下，可以进行各种改变并且可以进行等同替换。图示可以不必按比例绘制。由于制造工艺和公差，在本公开中的艺术再现与实际装置之间可能存在区别。还可以有其他实施例，本文不一一列举。说明书和附图将被认为是说明性的而非限制性的。可以做出修改以使特定情况、材料、物质组成、方法或过程适应本公开的目标、精神和范围。所有这些修改旨在落入所附权利要求书的范围内。虽然已经参考以特定顺序执行的特定操作描述了本文公开的方法，但是将理解，在不背离本公开的教导的情况下，这些操作可以被组合、细分或重新排序以形成等效方法。因此，除非本文中特别指出，否则操作的顺序和分组不作为对本公开的限制。

Claims (20)

1.一种激光设备，包括：

增益介质，所述增益介质包括刻面；以及

超表面，所述超表面包括多个超晶胞，所述超表面被设置在衬底上并且被配置为：

将来自所述刻面的光的第一部分作为反馈光束反射并聚焦回所述增益介质；以及

以相对于所述反馈光束的方向为非零的角度将所述光的第二部分作为输出光束反射。

2.根据权利要求1所述的激光设备，其中，相对于所述增益介质空间地平移所述超表面修改了所述反馈光束的波长。

3.根据权利要求1所述的激光设备，其中：

所述超表面被配置为以正交于所述衬底的平面的角度反射所述输出光束；以及

所述输出光束是准直光束。

4.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述多个超晶胞以曲线晶格被布置。

5.根据权利要求1所述的激光设备，其中：

所述多个超晶胞中的每个超晶胞均包括一个或更多个元件；以及

根据所述一个或更多个元件的位置、所述一个或更多个元件的尺寸、所述一个或更多个元件的几何形状或所述一个或更多个元件的取向中的至少一个来定义所述反馈光束的角度和强度以及所述输出光束的角度和强度。

6.根据权利要求1所述的激光设备，其中：

所述多个超晶胞中的每个超晶胞均包括一个或更多个元件；以及

根据所述一个或更多个元件的位置、所述一个或更多个元件的尺寸、所述一个或更多个元件的几何形状或所述一个或更多个元件的取向中的至少一个来定义所述输出光束的偏振和形状。

7.根据权利要求1所述的激光设备，还包括：

热电冷却元件；以及

反射镜，所述反射镜设置在所述热电冷却元件或所述增益介质的衬底中的至少一个上，所述反射镜被配置为接收来自所述超表面的所述输出光束并且将所述输出光束反射远离所述热电冷却元件或所述增益介质的衬底中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的激光设备，其中：

所述超表面被配置为将所述反馈光束聚焦在用于第一操作波长的第一点处、用于第二操作波长的第二点处以及用于第三操作波长的第三点处；

其中，所述第一点、所述第二点和所述第三点均位于直线上。

9.根据权利要求1所述的激光设备，还包括：

空间光调制器，所述空间光调制器设置在所述增益介质与所述超表面之间，所述空间光调制器被配置为调谐所述输出光束的波长。

10.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述增益介质是激光二极管，所述刻面是包括抗反射涂层的第一刻面，所述激光设备还包括第二刻面，所述第二刻面包括反射涂层。

11.根据权利要求1所述的激光设备，其中：

所述多个超晶胞中的每个超晶胞均包括一个或更多个元件；以及

根据所述一个或更多个元件的位置、所述一个或更多个元件的尺寸、所述一个或更多个元件的几何形状或所述一个或更多个元件的取向中的至少一个来定义所述输出光束的相位和形状。

12.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述增益介质为以下各项中的至少一个：固态激光介质、半导体激光介质、晶体激光介质、掺杂玻璃激光介质、气体激光介质、染料或量子限制效应激光介质。

13.根据权利要求1所述的激光设备，还包括：

平移台，所述平移台被配置为相对于所述增益介质空间地平移所述超表面。

14.一种激光设备，包括：

增益介质，所述增益介质包括刻面；以及

超表面，所述超表面包括多个超晶胞，所述超表面被设置在衬底上并且被配置为：

将来自所述刻面的光的第一部分作为反馈光束反射并聚焦至所述增益介质；以及

将所述光的第二部分作为输出光束透射通过所述超表面远离所述刻面。

15.根据权利要求14所述的激光设备，包括：

透镜，所述透镜被配置为准直来自所述超表面的所述输出光束；或者

所述超表面，所述超表面被配置为提供作为准直光束的所述输出光束。

16.根据权利要求14所述的激光设备，其中，相对于所述增益介质空间地平移所述超表面修改了所述反馈光束的波长和所述输出光束的波长，而不改变所述输出光束的方向。

17.根据权利要求14所述的激光设备，其中，所述多个超晶胞以曲线晶格被布置。

18.根据权利要求14所述的激光设备，其中：

所述多个超晶胞中的每个超晶胞均包括一个或更多个元件；以及

至少根据所述一个或更多个元件的位置、所述一个或更多个元件的尺寸、所述一个或更多个元件的几何形状或所述一个或更多个元件的取向来定义所述反馈光束的角度和强度以及所述输出光束的角度和强度。

19.根据权利要求14所述的激光设备，其中：

所述多个超晶胞中的每个超晶胞均包括一个或更多个元件；以及

至少根据所述一个或更多个元件的位置、所述一个或更多个元件的尺寸、所述一个或更多个元件的几何形状或所述一个或更多个元件的取向来定义所述输出光束的偏振。

20.根据权利要求14所述的激光设备，其中：

所述超表面被配置为将所述反馈光束聚焦在用于第一操作波长的第一点处、用于第二操作波长的第二点处以及用于第三操作波长的第三点处；

其中，所述第一点、所述第二点和所述第三点均位于直线上。

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