CN116859614A - 激光器快慢轴准直器、激光器和激光器制作方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
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
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。
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。
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。
发明内容
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。
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，
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；
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。
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；
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。
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：
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：
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。
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；
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。
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：
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。
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。
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。
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。
一种激光器，其包括如上述的激光器快慢轴准直器。
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。
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。
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。
一种激光器制作方法，其包括步骤：
提供激光器衬底和上述的激光器快慢轴准直器；
在所述激光器衬底上生长外延层；
在所述衬底上镀覆保护层，使所述保护层覆盖所述外延层；
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。
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：
在所述保护层周侧设置结构支撑件。
一种激光器制作方法，其包括步骤：
提供激光器衬底；
在所述激光器衬底上生长外延层；
在所述衬底上镀覆保护层，使所述保护层覆盖所述外延层；
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。
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。
附图说明
图1是本发明实施例1中激光器快慢轴准直器的结构示意图(为便于识别，图中衬底仅用直线进行表示)。
图2是本发明实施例2中激光器快慢轴准直器的结构示意图。
图3是本发明实施例3中激光器快慢轴准直器的结构示意图。
图4是基于实施例3中激光器快慢轴准直器计算得到的最终准直光斑。
图5是基于实施例3中激光器快慢轴准直器计算得到的一种可行的第一超表面光学元件微结构单元阵列。
图6是基于实施例3中激光器快慢轴准直器计算得到的一种可行的第二超表面光学元件微结构单元阵列。
图7为所选择的2pi范围内的16阶柱子的选取以及柱子的透过率。
图8为本发明实施例4中激光器的结构示意图。
图9为本发明实施例5中激光器的结构示意图。
图10为本发明实施例6中激光器制作方法的步骤流程示意图。
图11为本发明实施例7中激光器制作方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施方式及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施方式提供一种激光器快慢轴准直器、具有该激光器快慢轴准直器的激光器和激光器制作方法，在激光器快慢轴准直器中使用超表面光学元件实现对激光器所发出的光束的准直。超表面是一种具有人工设计亚波长结构的可编程的平面介质，其表面形成有纳米级的微结构单元，微结构单元能够被设计成具有精确的尺寸、形状和排列方式，来实现对光的高度定制化控制，从而对光的相位分布能够进行更有效的调控。超表面光学元件与传统透镜不同，其利用纳米级的金属结构和微观图案通过相位的调控来控制和操纵光的传播和聚焦，其传播路径服从广义斯涅尔折射定律。在本实施方式中，使用超表面光学元件代替传统透镜能够有效降低准直器的尺寸。下面就接几个具体实施例分别对激光器快慢轴准直器、具有该激光器快慢轴准直器的激光器和激光器制作方法进行说明。
为方便说明，本文使用表示空间相对位置的术语来进行描述，例如“上”、“下”、“后”、“前”等，用来描述附图中所示的一个单元或者特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的装置翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“上方”的单元将位于其他单元或特征“下方”或“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括下方和上方这两种空间方位。
实施例1
如图1所示，实施例1提供一种激光器快慢轴准直器1，其用于对激光器2所发出的光束进行准直。激光器2可以为但不限于边发射激光器2(Edge Emitting Laser，EEL)，垂直腔面发射激光器2(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)，光纤激光器2等现有技术中常用激光器2。
准直器1包括依次设置的第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12，第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12包括衬底1a和设置于衬底1a(为便于识别，图中衬底仅用直线进行表示)上的微结构单元阵列1b，其中，所述微结构单元尺寸为亚波长级。
衬底1a可以为但不限于玻璃基底、硅基底等常用透明半导体器件衬底1a材料。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。通过改变微结构单元几何形状、尺寸大小、排列密度、排列方式等特征，当光线通过超透镜时，超表面光学元件经过设计的微结构单元阵列1b可以引起光线的相位调整，从而实现对光束散射角的调整。
第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12的微结构单元阵列1b配合对激光器2发出的光束在快轴方向(Y轴方向)和在慢轴方向(X轴方向)进行准直，其中，第一超表面光学元件11微结构单元阵列1b至少对激光器2所发出的光束在慢轴方向进行扩束或缩束。
具体的，在实施例1中，第一超表面光学元件11微结构单元阵列1b对激光器2发出的光束在快轴方向进行准直，并在慢轴方向进行扩束。相比于现有技术中，第一超表面光学元件11在慢轴方向上不对光束产生聚焦或者汇聚，在实施例1中，第一超表面光学元件11通过对微结构单元阵列1b进行设计对光束进行调整，在慢轴方向上，叠加形成一个负的光焦度来对原有的慢轴光斑进行放大。第二超表面光学元件12微结构单元阵列1b对激光器2发出的光束特征在慢轴方向进行准直。通过第一超表面光学元件11微结构单元阵列1b在慢轴方向对光束进行扩束，可以缩短第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12之间的距离，从而缩小准直器1的尺寸。
在本实施例的其他实施方式中，根据不同激光器2所发出的光束特性及激光器2应用场景，第一超表面光学元件11微结构单元阵列1b也可对激光器2发出的光束在慢轴方向上进行缩束。
进一步的，在实施例1中，第一超表面光学元件11的微结构单元阵列1b的相位分布表达式为：
第二超表面光学元件12的微结构单元阵列1b的相位分布表达式为：
其中，λ为激光器2发出光束的波长，Ff为激光器2在Y轴方向(快轴方向)上的焦距，Fs为激光器2在X轴方向(慢轴方向)上的焦距，d为第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12之间的距离，X,Y为光束在第一超表面光学元件11微结构单元阵列1b上的坐标。上述参数中，Ff和Fs可以通过激光器2的数值孔径和所要求的照射光斑大小进行计算得到。
进一步的，在实施例1中，第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12为分立元件，两者分别包括一衬底1a和设置在衬底1a上的微结构单元阵列1b。分体结构的准直器1，可以分别在对应衬底1a上镀覆形成超表面材料层后，通过光刻的方法形成微结构单元阵列1b。第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12之间可以通过填充介质进行固定，或者通过框架结构件进行固定，可填充的介质包括胶水、SiO2、Si3N4等，当使用框架结构件将两者进行固定时，即可填充上述介质，也可只填充空气。采用分体结构的准直器1，能够灵活对第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12之间的距离进行调整，从而适应不同的应用需求。
第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12的微结构单元阵列1b可以朝向激光器2设置，也可背离激光器2设置，实施例1对此无具体限定，只要间隔距离满足设计要求即可。
进一步的，在实施例1中，激光器2、第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12之间为共轴系统。由于微结构单元阵列1b能够实现对光束相位的任意调控，因此，在准直器1中添加倾斜相位后，在其他实施例中，准直器1也可形成离轴系统，离轴系统的旋转角度可以由超表面光学元件提供也可增加传统光学透镜来提供。
进一步的，在本发明的一些实施例中，也可在激光器2前或者在第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12之间加入反射镜、棱镜或者其他超表面光学元件，以同时起到实现光线的准直和偏折的作用，并且当使用超表面光学元件作为光线偏折器件时，其相位可以合并到第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12。
需要说明的是，本实施例及其他实施例中所涉及的公式在微型系统中可能会失效，在失效的情况下，可以以该公式为初始解，并通过标量或矢量优化算法提高准直精度。
实施例2
如图2所示，为实施例2提供的一种激光器快慢轴准直器1，其基本结构与实施例1类似，其与实施例1的区别在于：
第一超表面光学元件11微结构单元阵列1b对激光器2发出的光束同时在快轴方向和慢轴方向进行扩束，第二超表面光学元件12微结构单元阵列1b对光束同时在快轴和慢轴方向进行准直。增加超表面光学元件在快轴方向的光焦度，利用第二超表面光学元件12同时在快轴和慢轴方向进行光束准直，能够缩短第一超表面光学元件11和激光器2之间的距离，即第一超表面光学元件11会形成同时对光束进行扩束的效果。
在实施例2的其他实施方式中，根据不同激光器2所发出的光束特性及激光器2应用场景，第一超表面光学元件11微结构单元阵列1b也可对激光器2发出的光束在快轴方向和/或慢轴方向上进行缩束。
进一步的，在实施例2中，第一超表面光学元件11的微结构单元阵列1b的相位分布表达式为：
其中，λ为激光器2发出光束的波长，Ff为激光器2在Y轴方向(快轴方向)上的焦距，Fs,X与Fs,Y分别为第二超表面光学元件12在X轴和Y轴方向上的焦距，d为第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12之间的距离，X,Y为光束在第一超表面光学元件11微结构单元阵列1b上的坐标。
根据以上公式，当在设定任意间距(包括激光器2和第一超表面光学元件11之间的间距、以及第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12之间的间距)和要求的激光器2射出光束圆光斑半径大小时，均能够存在一对超表面光学元件满足要求，从而能够最大程度减小准直器1的尺寸，并且在实现微型化的准直器1时，超表明光学元件对光场的优秀调控能力也能够显著改善激光的输出形貌。
与实施例1类似，实施例2为分体结构。
实施例3
如图3所示，为实施例3提供的一种激光器快慢轴准直器1，其基本结构与实施例2类似，其与实施例2的区别在于：
第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12共用一衬底1a，衬底1a包括朝向激光器2的第一面以及与第一面相背离的第二面，第一超表面光学元件11微结构单元阵列1b设置于衬底1a第一面上，第二超表面光学元件微结构单元阵列1b设置于衬底1a第二面上。通过将第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12集成到同一衬底1a上，能够进一步缩减准直器1的尺寸。
示例性的，以实施例3中的准直器1结构为基础，这里基于一具体示例说明超表面光学元件的微结构单元阵列1b的设计过程。对于波长为640nm、X轴方向(慢轴方向)和Y轴方向(快轴方向)上的散射角分别为7°和15°的点光源，最终需求的圆光斑大小直径为700μm。
根据一般的快慢轴准直器1的相位计算公式：
将上式近似展开可以得到偶次相位系数An并通过相位叠加公式可以得到最终相位，相位叠加公式如下：
衬底1a材质玻璃，厚度为500μm，通过几何光学追迹软件对相位系数和间距优化来获得准直的圆光斑。优化所得结果为：激光器2到第一超表面光学元件11之间的距离为1.28mm，第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12之间的距离为0.8mm。对于偶次相位系数An，第一超表面光学元件11在Y轴方向上的前三项系数为(-960，35，-3.4)，第二超表面光学元件12在X方向上的前三项系数为(-444，2.5，-1.2)。
接下来假设激光器2与第一超表面光学元件11之间的间距为1mm，第一超表面光学元件11与第二超表面光学元件12之间的间距为0.5mm。
首先将第一超表面光学元件11与第二超表面光学元件12之间的间距设为0.5mm，此时Y轴方向上的光斑大小不变。在第一超表面光学元件11加入X轴方向上的优化系数并设为变量，并将第二超表面光学元件12在X轴方向的优化系数设为变量。经过优化后，对于偶次相位系数An，第一超表面光学元件11在X轴方向上的前三项系数为(890，-4274，7481)，在Y轴方向上的前三项系数为(-960，35，-3.4)，第二超表面光学元件12在X轴方向上的前三项系数为(-665，72，59)。
接下来将激光器2与第一超表面光学元件11的距离设为1mm，此时将第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12的Y轴方向系数作为变量并优化，使光束在Y轴方向准直。再将第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12的X轴方向系数作为变量并优化，使光束造X轴方向准直。经过优化后，对于偶次相位系数An，第一超表面光学元件11在X轴方向上的前三项系数为(1199，-6114，14090)，在Y轴方向上的前三项系数为(-900，20，-34)。第二超表面光学元件12在X轴方向上的前三项系数为(-727，54，27)，在Y轴方向上的前三项系数为(-250，16，10)。
图4为最终准直得到的光斑，其形貌为直径700um的圆形光斑，并且发散角在几何光学追踪下可以达到衍射极限的准直效果。
根据计算得到的相位分布图，可以制作对应的微结构单元阵列1b，图5为一种可行的第一超表面光学元件11微结构单元阵列1b。图6为一种可行的第二超表面光学元件微结构单元阵列1b。微结构单元为圆柱，柱子高度为600nm，排列方式为方形阵列排布，排列间隔为450nm。图7为所选择的2pi范围内的16阶柱子的选取以及柱子的透过率，所选柱子的透过率均在95％以上。
实施例4
如图8所示，实施例4提供一种激光器3，激光器3包括激光器衬底31，形成于激光器衬底31上的外延层32，包覆外延层32的保护层33，如上述的激光器快慢轴准直器1固定设置于保护层33上，第一超表面光学元件11和第二超表面光学元件12的微结构单元阵列1b相对于外延层32设置。由于超表面光学元件采用了微纳工艺，因此可以通过片上集成的方式实现准直器1和激光器3的集成。并且，除了准直功能，还可以利用超表面光学元件对光束的偏振特性来调控激光器2的偏振特性和模式。
外延层32包括n型和p型分布式布拉格反射镜，氧化层等，保护层23为材料SiO2等，上述结构为激光器3常见现有基础结构，在此不再具体描述。
进一步的，激光器2还包括设置于保护层33周侧的结构支撑件34，结构支撑件34设置于激光器衬底31和激光器快慢轴准直器1衬底1a之间，形成对准直器1的结构支撑。结构支撑件34可以为焊接在激光器衬底31上的铟球或者UV胶等有机材料，只要能够具有一定的结构强度即可。
在本实施例中，实施例1～3中所提供的准直器1均可通过倒转工艺贴装在保护层33上，将上述的准直器1集成到片上的激光器3，尺寸显著减小、结构简单，通过光刻工艺制作的超表面光学元件，成本低廉，并且超表面光学元件能够对激光的形貌起到明显的改善。
实施例5
如图9所示，实施例5提供一种激光器4，激光器4包括激光器衬底41，形成于激光器衬底41上的外延层42，包覆外延层42的保护层43，镀覆制作形成于保护层43上的第一超表面光学元件11微结构单元阵列，镀覆形成于第一超表面光学元件11微结构单元阵列的衬底，镀覆制作形成于衬底上的第二超表面光学元件12微结构单元阵列。
相比于实施例4，在本实施例中，直接通过镀覆生长和光刻的工艺在保护层23形成一体式结构的准直器1，能够进一步减小激光器2的尺寸。
实施例6
如图10所示，实施例6提供一种激光器制作方法，其包括：
S11：提供激光器衬底31和如上述的激光器快慢轴准直器1。
S12：在激光器衬底31上生长外延层32。
S13：在衬底1a上镀覆保护层33，使保护层33覆盖外延层32。
S14：减薄平整保护层33，将激光器快慢轴准直器1通过倒转工艺贴装在保护层23上。
进一步的，在步骤S3之后还包括：
在保护层33周侧设置结构支撑件34。
实施例7
如图11所示，实施例7提供一种激光器制作方法，其包括：
S21：提供激光器衬底41。
S22：在激光器衬底41上生长外延层42。
S23：在衬底1a上镀覆保护层43，使保护层43覆盖外延层42。
S24：在保护层43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1。
综上所述，本实施方式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。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
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，
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；
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。
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；
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。
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：
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：
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。
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；
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。
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：
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。
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：
提供激光器衬底和如权利要求1～8任一项所述的激光器快慢轴准直器；
在所述激光器衬底上生长外延层；
在所述衬底上镀覆保护层，使所述保护层覆盖所述外延层；
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。
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：
在所述保护层周侧设置结构支撑件。
15.一种激光器制作方法，其特征在于，包括步骤：
提供激光器衬底；
在所述激光器衬底上生长外延层；
在所述衬底上镀覆保护层，使所述保护层覆盖所述外延层；
在所述保护层上通过镀覆和光刻工艺形成如权利要求1～8任一项所述的激光器快慢轴准直器。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117728282A (zh) * | 2024-02-18 | 2024-03-19 | 北京凯普林光电科技股份有限公司 | 一种半导体激光器的轻量化设计方法、半导体激光器 |
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