CN117728282A - 一种半导体激光器的轻量化设计方法、半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种半导体激光器的轻量化设计方法、半导体激光器，所述方法包括：将第一透镜模组作为半导体激光器的耦合器件，并通过第一透镜模组对经过准直后的光束进行聚焦；其中，第一透镜模组包括两片单层超透镜或者单片双层超透镜，并且两片单层超透镜或者单片双层超透镜作为半导体激光器在快轴方向和慢轴方向的聚焦镜。一方面，本申请实现了准直光束的整形聚焦，使得输出光斑的质量更高；另一方面，由于超透镜采用微纳结构，其用料更少、自由度更高，使得所述超透镜模组的重量相比于传统透镜降低了60%‑70%；由此达到了改善激光器光束质量、减小光学耦合器件重量、实现激光器轻量化的技术效果。
Description
技术领域
本申请涉及激光器技术领域，具体涉及一种半导体激光器的轻量化设计方法、半导体激光器。
背景技术
半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生激光的器件。目前，半导体激光器的结构设计趋向于小型化、轻量化发展，而对于激光器轻量化设计的影响因素主要可以分为机械固定用料和光学整形器件这两个部分。
相关技术中，一方面，机械用料的选择取决于激光二极管芯片自身特性以及与材料的匹配程度，其可变化程度较小，因此难以通过减小机械用料的方式来实现半导体激光器小型化的目的；另一方面，光学整形器件的数量与光束质量呈正相关，而现有方案中常采用球面透镜进行聚焦，这种透镜具有较大的厚度，不仅重量较大、且空间利用率低，而且球面透镜在成像时易产生球差，无法满足激光器的耦合要求。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本申请以便提供一种半导体激光器的轻量化设计方法、半导体激光器，以达到改善激光器光束质量、减小光学耦合器件重量、进而实现激光器轻量化的技术效果。
依据本申请的第一方面，提出了一种半导体激光器的轻量化设计方法，所述方法包括：
将第一透镜模组作为所述半导体激光器的耦合器件，并通过所述第一透镜模组对经过准直后的光束进行聚焦；
其中，所述第一透镜模组包括两片单层超透镜或者单片双层超透镜，并且所述两片单层超透镜或者单片双层超透镜作为半导体激光器在快轴方向和慢轴方向的聚焦镜。
进一步地，所述方法还包括：
将第二透镜模组作为所述半导体激光器的准直器件，并通过所述第二透镜模组对所述半导体激光器的激光芯片发射的光束进行准直；
其中，所述第二透镜模组包括快轴准直镜和慢轴准直镜，
通过所述第二透镜模组中的快轴准直镜，对所述激光芯片发射的光束在快轴方向上进行准直；
通过所述第二透镜模组中的慢轴准直镜，对经过快轴准直后的光束在慢轴方向上进行准直。
进一步地，所述两片单层超透镜分别包括快轴聚焦镜和慢轴聚焦镜；所述方法包括：
通过所述两片单层超透镜中的快轴聚焦镜，对经过快慢轴准直后的光束在快轴方向上进行聚焦；
通过所述两片单层超透镜中的慢轴聚焦镜，对经过快轴聚焦后的光束在慢轴方向上进行聚焦。
进一步地，所述方法包括：
通过所述单片双层超透镜，对经过快慢轴准直后的光束在快轴方向和慢轴方向上均进行聚焦。
进一步地，所述单层超透镜或所述双层超透镜包括基底和设置在所述基底上的多个纳米柱，所述多个纳米柱按照周期规律排布，所述方法包括：
将所述单层超透镜的纳米柱设置在基底的一侧，和/或，
将所述双层超透镜的纳米柱分别设置在基底的两侧。
进一步地，所述方法包括：
选择第一材料作为所述超透镜的基底，以及选择第二材料作为所述超透镜的纳米柱；其中，所述第一材料的折射率小于所述第二材料的折射率；和/或，
将所述纳米柱的形状设计为具有C4对称性的形状结构，或者多种具有C4对称性的形状组成的层叠型结构。
进一步地，所述两片单层超透镜或者所述单片双层超透镜的设计过程包括：根据所述激光芯片发射的光束的设计波长、所述基底的尺寸参数及材料性能参数、所述纳米柱的尺寸参数及材料性能参数，确定每个所述纳米柱对应的相位参数和透过率参数；
基于所述半导体激光器中光纤的数值孔径，得到所述超透镜的设计尺寸及设计焦距，并确定所述超透镜的基底范围；
在所述超透镜的基底范围内，按照所述超透镜的相位需求，选择不同相位参数和透过率参数的纳米柱进行匹配，并将所述纳米柱覆盖在所述基底范围内的对应位置上。
进一步地，通过相位设计公式满足所述超透镜的相位需求，其中，所述单层超透镜和所述双层超透镜的相位设计公式包括：
X方向上的相位设计：
Y方向上的相位设计：
其中，x和y分别表示超透镜的对应位置；λ表示设计波长；fx表示用于X方向聚焦的超透镜的设计焦距；fy表示用于Y方向聚焦的超透镜的设计焦距；X方向代表快轴方向和慢轴方向其中之一；Y方向代表快轴方向和慢轴方向之另一。
进一步地，所述单层超透镜或所述双层超透镜还包括基底和设置在所述基底上的多个几形波导结构，所述多个几形波导结构按照周期规律排布，
所述方法还包括：
将所述单层超透镜的几形波导结构设置在所述基底的一侧，和/或，
将所述双层超透镜的几形波导结构分别设置在所述基底的两侧。
依据本申请的第二方面，提出了一种半导体激光器，包括：激光芯片和耦合器件，其中，所述耦合器件包括如上述第一方面任一项所述设计方法制得的单层超透镜和/或双层超透镜。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
提出了一种半导体激光器的轻量化设计方法、半导体激光器，通过设计超透镜模组，并将所述超透镜模组作为半导体激光器在快慢轴方向的聚焦镜，一方面，实现了准直光束的整形聚焦，使得输出光斑的质量更高；另一方面，由于所述超透镜模组的用料更少、自由度更高，因此，使得所述超透镜模组的重量相比于传统透镜降低了60%-70%，由此达到了改善激光器光束质量、减小光学耦合器件重量、实现激光器轻量化的技术效果。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本申请一个实施例中的半导体激光器的轻量化设计方法的流程示意图；
图2为本申请实施例中的两片单层超透镜（快轴方向）的聚焦示意图；
图3为本申请实施例中的两片单层超透镜（慢轴方向）的聚焦示意图；
图4为本申请实施例中的单片双层超透镜的聚焦示意图；
图5为本申请实施例中的不同形状纳米柱构成的基本单元结构的示意图；图5（a）示出了由圆柱型纳米柱组成的基本单元结构，图5（b）示出了由方柱型纳米柱组成的基本单元结构，图5（c）示出了由双十字型纳米柱组成的基本单元结构；
图6为本申请实施例中的不同尺寸圆柱型纳米柱的透过率和相位的仿真结果示意图；图6（a）示出了圆柱型纳米柱的半径R与透过率参数之间变化关系的仿真图，图6（b）示出了圆柱型纳米柱的半径R和相位参数之间变化关系的仿真图；
图7为本申请实施例中根据相位信息匹配的超透镜基本结构单元的排列位置示意图；
图8为本申请实施例中的超透镜的立体效果示意图；
图9为本申请实施例中采用几形波导结构的超透镜的结构示意图；
图10为本申请实施例中双层超透镜的输出光斑在不同平面的效果示意图；10（a）示出了X-Z平面上输出光斑的效果图，图10（b）示出了X-Y平面上输出光斑的效果图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本申请的示例性实施例。虽然附图中显示了本申请的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本申请的技术构思在于，设计超透镜模组并将超透镜模组作为半导体激光器在快慢轴方向的聚焦镜，由于所述超透镜模组的用料更少、自由度更高，由此既能够实现准直光束的整形聚焦，使得输出光斑的质量更高，又能够减小光学耦合器件的重量，实现激光器轻量化的技术效果。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
如图1所示，在本申请的一个实施例中，提出了一种半导体激光器的轻量化设计方法，所述方法包括：
步骤S1，将第一透镜模组作为所述半导体激光器的耦合器件，并通过所述第一透镜模组对经过准直后的光束进行同时或者分别聚焦；
在本实施例中，所述半导体激光器的聚焦镜用于将经过准直后的光束聚焦到一个特定的点或者较小的区域。所述第一透镜模组为超透镜模组，采用超透镜作为耦合器件的原理在于，可以利用超透镜中微纳米结构的衍射特性来实现激光光束的聚焦。
可以理解，所述快轴方向指的是垂直于半导体PN结面的方向，所述慢轴方向指的是平行于半导体PN结面的方向，同时，快轴和慢轴的区分主要在于对不同方向光束聚焦的区分。以快轴为例，所述超透镜仅需在快轴方向实现光束聚焦即可，慢轴方向不发生改变；而在慢轴聚焦时，则需要在慢轴方向实现光束聚焦，快轴方向不发生改变。
其中，结合图1至图3所示，所述方法包括：步骤S11，所述第一透镜模组包括两片单层超透镜，并且将所述两片单层超透镜作为半导体激光器在快轴方向和慢轴方向的聚焦镜；
具体地，在本实施例中，图2和图3分别为本实施例中的两片单层超透镜在快轴方向和慢轴方向上的示意图，图中虚线为光束的传输方向；在图2（侧视，Y-Z平面）和图3（俯视，X-Z平面）示出不同视角的光学整形器件中，从左至右依次为半导体激光器的激光芯片（图中未示出）、快轴准直镜、慢轴准直镜、快轴聚焦镜（单层超透镜）、慢轴聚焦镜（单层超透镜）；也就是说，在本实施例中，通过一片单层超透镜可以实现光束在快轴方向上的聚焦，通过另一片单层超透镜可以实现光束在慢轴方向上的聚焦。
优选地，所述两片单层超透镜应选择不相同的两片超透镜。当然，对于所述两片单层超透镜的尺寸、性能参数、安装位置等在此不做限制。
或者，所述方法还包括：步骤S12，所述第一透镜模组包括单片双层超透镜，并且将所述单片双层超透镜作为半导体激光器在快轴方向和慢轴方向的聚焦镜；
具体地，图4为本申请实施例中的单片双层超透镜的结构示意图，图中虚线为光束的传输方向；在图4示出的光学整形器件中，从左至右依次为半导体激光器的激光芯片（图中未示出）、快轴准直镜、慢轴准直镜、快慢轴聚焦镜（双层超透镜）；也就是说，在本实施例中，通过一片双层超透镜就可以同时实现光束在快轴方向以及慢轴方向上的聚焦。
结合图2至图4可以看出，由于本申请中所述双层超透镜或单层超透镜由微纳结构构成，其厚度很薄，因此，使得所述超透镜模组的用料更少、自由度更高，其重量相比于传统的普通透镜降低了60%-70%、其厚度减小了80%，进而节约了光学整形器件的布置空间；同时由于超透镜固有的无球差特性能够提高光束质量，由此本申请技术方案，既可以满足耦合需求，又能够减小光学器件的重量，实现了激光器轻量化的目标。
需要说明的是，在本申请实施例中，超透镜的长宽尺寸与所使用激光芯片的发光尺寸相关，由此根据光束发散角可进行相应比例的计算以确定超透镜的长宽尺寸。当然，本申请对于半导体激光芯片的类型、以及超透镜的尺寸等不做限制。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述方法还包括：
将第二透镜模组作为所述半导体激光器的准直器件，并通过所述第二透镜模组对所述半导体激光器的激光芯片发射的光束进行准直；
其中，所述第二透镜模组包括快轴准直镜和慢轴准直镜，
通过所述第二透镜模组中的快轴准直镜，对所述激光芯片发射的光束在快轴方向上进行准直；
通过所述第二透镜模组中的慢轴准直镜，对经过快轴准直后的光束在慢轴方向上进行准直。
具体地，所述半导体激光器的准直镜的主要作用是确保激光束的平行性和稳定性，其工作原理是通过反射或透射激光束，以使其成为平行光束，以便后续的加工处理。结合图2至图4所示，所述快轴准直镜和所述慢轴准直镜可采用柱面镜，所述快轴准直镜位于所述慢轴准直镜的左侧（例如，慢轴准直镜的进光侧），由此通过所述快轴准直镜和所述慢轴准直镜可以分别实现光束在快轴方向和慢轴方向上的准直，进而在光束经过准直之后，再经由超透镜模组以实现该光束在快慢轴方向上的聚焦。
在本申请的一个优选的实施例中，如图3所示，所述两片单层超透镜分别包括快轴聚焦镜和慢轴聚焦镜；所述方法包括：
通过所述两片单层超透镜中的快轴聚焦镜，对经过快慢轴准直后的光束在快轴方向上进行聚焦；
通过所述两片单层超透镜中的慢轴聚焦镜，对经过快轴聚焦后的光束在慢轴方向上进行聚焦。
在本申请的另一个优选的实施例中，如图4所示，所述方法包括：
通过所述单片双层超透镜，对经过快慢轴准直后的光束在快轴方向和慢轴方向上均进行聚焦。
具体地，所述双层超透镜等同于两片竖直和水平方向的单层超透镜合并，也就是说，所述双层超透镜公用同一块基底，两层结构的排列方式存在正交性。由此可见，所述双层超透镜可以同时实现光束在不同方向上的近衍射极限聚焦，不仅光斑质量优异、无杂散光，其聚焦光斑小于50um，而且这种双层超透镜设计的灵活度更高。
当然，本申请中对于所述单层超透镜和所述双层超透镜的数量、形状、尺寸及设置位置等不做具体限制；以上内容仅为了便于理解和简化描述，不能视为对本申请的限制。
进一步地，如图5所示，所述单层超透镜或所述双层超透镜包括基底和设置在所述基底上的多个纳米柱，所述方法包括：
将所述单层超透镜的纳米柱设置在基底的一侧，和/或，将所述双层超透镜的纳米柱分别设置在基底的两侧。
优选地，所述多个纳米柱按照周期规律排布，例如，所述多个纳米柱可以沿X方向或者Y方向周期排列，并且在非聚焦方向上的纳米柱可以保持一致，也即在非聚焦方向上的纳米柱对相位没有调节。例如，在慢轴方向上位于同一列的纳米柱保持一致，在快轴方向上位于同一排的纳米柱保持一致。
需要说明的是，在本申请实施例中，所述基底和所述纳米柱组成超透镜的基本单元结构。例如，对于每一个基本单元结构而言，其包括单个纳米柱以及基底单元；对于超透镜整体而言，包括整个基底及分布在基底上的多个纳米柱。同时，在设计超透镜时，为了便于仿真设计，每个基本单元结构中的基底单元与纳米柱是一一对应的；对于整个超透镜而言，则是整个基底上分布了多个纳米柱，或者说在基底上设置了纳米柱层。
进一步地，所述方法包括：
选择第一材料作为所述超透镜的基底，以及选择第二材料作为所述超透镜的纳米柱；其中，所述第一材料的折射率小于所述第二材料的折射率。
优选地，所述第一材料至少包括二氧化硅材料，所述第二材料至少包括硅、氮化硅、二氧化钛中的一种或多种材料；
和/或，将所述纳米柱的形状设计为具有C4对称性（上下及左右均对称，旋转90°后结构不变）的形状结构，或者多种具有C4对称性的形状组成的层叠型结构，这种具备C4对称性的纳米柱可用于优化超透镜的性能。
例如，图5（a）示出了由圆柱型纳米柱组成的基本单元结构，图5（b）示出了由方柱型纳米柱组成的基本单元结构，图5（c）示出了由双十字型纳米柱组成的基本单元结构。图5中浅色柱状结构为纳米柱，深色平板结构为基底单元。
需要说明的是，本申请中所述纳米柱的形状可以设置为相同，也可以设置为不同。
在本申请的一个实施例中，将所述纳米柱的形状设置为相同，例如，本实施例中纳米柱均为圆柱型（或其他形状，如方柱形、双十字型等），此时可通过改变材料和/或尺寸等参数以实现相位调节。
而在本申请的另一个实施例中，将所述纳米柱的形状设置为不同，例如，本实施例中纳米柱的形状包括但不限于圆柱型、方柱型、双十字型等形状的组合，进而通过改变纳米柱的形状、材料、尺寸等参数以实现相位调节。
当然，以上对于纳米柱和基底的材料、以及纳米柱的形状等内容仅为示范性描述，不能理解为对本申请的限制。
进一步地， 所述两片单层超透镜或者所述单片双层超透镜的设计过程包括：
根据所述激光芯片发射的光束的设计波长、所述基底的尺寸参数及材料性能参数、所述纳米柱的尺寸参数及材料性能参数，确定每个所述纳米柱对应的相位参数和透过率参数；
基于所述半导体激光器中光纤的数值孔径，得到所述超透镜的设计尺寸及设计焦距，并确定所述超透镜的基底范围；
在所述超透镜的基底范围内，按照所述超透镜的相位需求，选择不同相位参数和透过率参数的纳米柱进行匹配，并将所述纳米柱覆盖在所述基底范围内的对应位置上。
具体地，基底的尺寸与激光芯片的出光波长相关，一般约为波长的二分之一，而纳米柱的高度略小于激光器的设计波长，纳米柱的水平尺寸最大为波长的二分之一，因此这种微纳结构会使得超透镜的厚度更薄；进一步地，根据基底的尺寸参数及材料性能参数、以及纳米柱的尺寸参数及材料性能参数等变量可以计算出基本单元结构（由基底和纳米柱构成）的相位参数和透过率参数，并依据每个基本单元结构的参数信息进行超透镜设计，由此实现对经过准直后的快慢轴光斑的近衍射极限聚焦，以满足耦合的需求。例如，材料性能参数可以是材料的折射率。
以圆柱型纳米柱和基底所构成的基本单元结构为例，圆柱的半径记为R、圆柱的高度记为H、基底的间隔尺寸记为T，上述R、H、T表示可变化的参数项，例如，结合图6所示，图6（a）展示出圆柱型纳米柱的半径R与透过率参数之间变化关系的仿真图，图6（b）展示出圆柱型纳米柱的半径R和相位参数之间变化关系的仿真图。
可以看出，超透镜基本单元结构的性能参数随尺寸参数而变化，由此就能够选择不同相位参数和透过率参数的纳米柱进行匹配，并将所述纳米柱覆盖在所述基底范围内的对应位置上，以完成超透镜设计。当然，其他形状纳米柱的参数变化同样随其特征变化，在此不做赘述。
在本申请的一个优选的实施例中，根据光纤数值孔径NA=0.22的要求，对超透镜的尺寸及焦距进行设计；具体地，通过相位设计公式满足所述超透镜的相位需求，其中，所述单层超透镜和双层超透镜的相位设计公式包括：
X方向上的相位设计：
Y方向上的相位设计：
其中，x和y分别表示超透镜的对应位置；λ表示设计波长；fx表示用于X方向聚焦的超透镜的设计焦距；fy表示用于Y方向聚焦的超透镜的设计焦距；X方向代表快轴方向和慢轴方向其中之一；Y方向代表快轴方向和慢轴方向之另一。
例如，对于两片单层超透镜而言，用于快轴聚焦的超透镜的相位设计公式可以参考X方向上的相位设计公式，用于慢轴聚焦的超透镜的相位设计公式可以参考Y方向上的相位设计公式；或者，用于慢轴聚焦的超透镜的相位设计公式可以参考X方向上的相位设计公式，用于快轴聚焦的超透镜的相位设计公式可以参考Y方向上的相位设计公式。
例如，对于单片双层超透镜而言，用于快轴聚焦的超透镜层的相位设计公式可以参考X方向上的相位设计公式，用于慢轴聚焦的超透镜层的相位设计公式可以参考Y方向上的相位设计公式；或者，用于慢轴聚焦的超透镜层的相位设计公式可以参考X方向上的相位设计公式，用于快轴聚焦的超透镜层的相位设计公式可以参考Y方向上的相位设计公式。例如，用于慢轴聚焦的超透镜层和用于快轴聚焦的超透镜层的设计波长之差为基底的厚度。例如，双层超透镜的聚焦超透镜层可以认为是两侧纳米柱层。可以理解，在一些实施方式中，基底的厚度很小，fx和fy可以认为其相同。
在本实施例中，设计波长可以涵盖可见光至红外波段，而根据波段的不同，基本单元结构的材料也随之变化。例如，以超透镜的几何中心为坐标原点，超透镜上任意位置的坐标可以确定。
图7示出了本实施例中根据相位信息匹配的超透镜基本结构单元的排列位置示意图，其中，位于上方的相位变化图与位于下方的基本结构单元的排列位置图相对应；可以看出，如相位变化图所示，整个超透镜表面的相位需求以颜色区分，相同颜色则表示相位需求相同；如排列位置图所示，可按照所述超透镜的相位需求，选择不同相位参数和透过率参数的纳米柱并将其匹配在基底范围内的不同排列位置。
如图7所示，在本实施例中，定义X轴方向为快轴方向，定义Y轴方向为慢轴方向，X方向与Y方向正交；以快轴为例，所述超透镜仅需在快轴方向实现聚焦即可，慢轴方向不发生任何改变，则超透镜在慢轴方向的相位相同（图7中显示为同列颜色相同），在快轴方向的相位发生变化（图7中显示为横向的颜色不断在发生变化），这也是其实现聚焦的关键。
优选地，结合图2和图3所示，所述单层超透镜的纳米柱设置在基底上靠近准直镜的一侧；在另一些实施方式中，所述单层超透镜的纳米柱也可以设置在基底上远离准直镜的一侧。结合图4所示，所述双层超透镜的纳米柱分别设置在基底的两侧，并且位于基底两侧的纳米柱的排列方式不相同（例如，两侧的纳米柱排列方式正交或接近正交）。
进一步地，对于X、Y方向上的超透镜可分别实现对应方向上的光束聚焦，将若干种偏振无关的纳米柱按相位需求匹配于基底上，可得到超透镜纳米柱的结构分布以及透镜的立体效果图；请参考图8所示，在所述基底范围内，纳米柱的形状按照一定规律排列，并且可在基底上形成纳米柱阵列。
优选地，在慢轴方向上可设置位于同一列的纳米柱的形状保持一致，在快轴方向上可设置位于同一排的纳米柱的形状保持一致，当然，本申请对于纳米柱的形状、数量、排列方式等不做限制。
优选地，所述单层超透镜或所述双层超透镜还包括基底和设置在所述基底上的多个几形波导结构
所述方法还包括：
将所述单层超透镜的几形波导结构设置在所述基底的一侧，和/或，
将所述双层超透镜的几形波导结构分别设置在所述基底的两侧。
优选地，所述多个几形波导结构按照周期规律排布，例如，所述多个几形波导结构可以沿X方向或者Y方向周期排列，并且在非聚焦方向上的几形波导结构可以保持一致，也即在非聚焦方向上的几形波导结构对相位没有调节。例如，两片单层超透镜各自的几形波导结构的排列方式不同（例如，可以是正交），所述几形波导结构可以设置在基底的一侧（可以是出光侧，也可以是入光侧）。例如，双层超透镜位于基底两侧的几形波导结构的排列方式不相同（例如，可以是正交）。
具体地，在本实施例中，如图9所示，以单层超透镜为例，可以选择连续性更好的几形波导结构覆盖在基底范围内，图9中的几形波导结构位于基底的右侧（例如出光侧），箭头方向为光的传输方向；进一步地，基底的材料优选为二氧化硅材料，由此可在非聚焦方向上实现更高的均匀度，进而有效提高聚焦效率。
需要说明的是，本申请实施例中的所述几形波导结构也可称为脊形波导结构；当然，所述基底和所述几形波导结构同样可组成所述超透镜的基本单元结构，所述几形波导结构在基底上的覆盖位置及设计公式，可参考前述纳米柱的设计过程进行设置，在此不做赘述。
在本申请技术方案中，经仿真实验验证，所述超透镜模组不仅在X-Z平面上具有优异的聚焦能力，而且在X-Y平面上同样能够输出极小尺寸的光斑，可见，该种超透镜设计能够进一步满足激光器光束的耦合需求；请参考图10所示，图10为本申请实施例中所述双层超透镜的输出光斑示意图，其中，图10（a）示出了X-Z平面上输出光斑的效果图，图10（b）示出了X-Y平面上输出光斑的效果图。
在本申请的另一个实施例中，提出了一种半导体激光器，包括：激光芯片和耦合器件，其中，所述耦合器件包括如前述实施例中任一项所述设计方法制作形成的单层超透镜和/或双层超透镜。
需要说明的是，上述半导体激光器的轻量化设计方法，能够制作得到本实施例中提供的半导体激光器，关于半导体激光器的轻量化设计方法的相关阐释同样适用于半导体激光器，此处不再赘述。
综上所述，本申请的技术方案至少达到了如下的技术效果：提出了一种半导体激光器的轻量化设计方法，通过设计超透镜模组，并将所述超透镜模组作为半导体激光器在快慢轴方向的聚焦镜，一方面，实现了准直光束的整形聚焦，使得输出光斑的质量更高；另一方面，由于微纳结构构成的超透镜模组的用料更少、自由度更高，使其重量相比于传统透镜降低了60%-70%，由此达到了改善激光器光束质量、减小光学耦合器件重量、实现激光器轻量化的技术效果。
需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。还需要说明的是，术语“包括”“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体激光器的轻量化设计方法，其特征在于，所述方法包括：
将第一透镜模组作为所述半导体激光器的耦合器件，并通过所述第一透镜模组对经过准直后的光束进行聚焦；
其中，所述第一透镜模组包括两片单层超透镜或者单片双层超透镜，并且所述两片单层超透镜或者单片双层超透镜作为半导体激光器在快轴方向和慢轴方向的聚焦镜。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述方法还包括：
将第二透镜模组作为所述半导体激光器的准直器件，并通过所述第二透镜模组对所述半导体激光器的激光芯片发射的光束进行准直；
其中，所述第二透镜模组包括快轴准直镜和慢轴准直镜，
通过所述第二透镜模组中的快轴准直镜，对所述激光芯片发射的光束在快轴方向上进行准直；
通过所述第二透镜模组中的慢轴准直镜，对经过快轴准直后的光束在慢轴方向上进行准直。
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述两片单层超透镜分别包括快轴聚焦镜和慢轴聚焦镜；所述方法包括：
通过所述两片单层超透镜中的快轴聚焦镜，对经过快慢轴准直后的光束在快轴方向上进行聚焦；
通过所述两片单层超透镜中的慢轴聚焦镜，对经过快轴聚焦后的光束在慢轴方向上进行聚焦。
4.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述方法包括：
通过所述单片双层超透镜，对经过快慢轴准直后的光束在快轴方向和慢轴方向上均进行聚焦。
5.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述单层超透镜或所述双层超透镜包括基底和设置在所述基底上的多个纳米柱，所述多个纳米柱按照周期规律排布，所述方法包括：
将所述单层超透镜的纳米柱设置在基底的一侧，和/或，
将所述双层超透镜的纳米柱分别设置在基底的两侧。
6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述方法包括：
选择第一材料作为所述超透镜的基底，以及选择第二材料作为所述超透镜的纳米柱；其中，所述第一材料的折射率小于所述第二材料的折射率；和/或，
将所述纳米柱的形状设计为具有C4对称性，或者多种具有C4对称性的形状组成的层叠型结构。
7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，
所述两片单层超透镜或者所述单片双层超透镜的设计过程包括：
根据所述激光芯片发射的光束的设计波长、所述基底的尺寸参数及材料性能参数、所述纳米柱的尺寸参数及材料性能参数，确定每个所述纳米柱对应的相位参数和透过率参数；
基于所述半导体激光器中光纤的数值孔径，得到所述超透镜的设计尺寸及设计焦距，并确定所述超透镜的基底范围；
在所述超透镜的基底范围内，按照所述超透镜的相位需求，选择不同相位参数和透过率参数的纳米柱进行匹配，并将所述纳米柱覆盖在所述基底范围内的对应位置上。
8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，通过相位设计公式满足所述超透镜的相位需求，其中，所述单层超透镜和所述双层超透镜的相位设计公式包括：
X方向上的相位设计：
Y方向上的相位设计：
其中，x和y分别表示超透镜的对应位置；λ表示设计波长；fx表示用于X方向聚焦的超透镜的设计焦距；fy表示用于Y方向聚焦的超透镜的设计焦距；X方向代表快轴方向和慢轴方向其中之一；Y方向代表快轴方向和慢轴方向之另一。
9.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述单层超透镜或所述双层超透镜还包括基底和设置在所述基底上的多个几形波导结构，所述多个几形波导结构按照周期规律排布，
所述方法还包括：
将所述单层超透镜的几形波导结构设置在所述基底的一侧，和/或，
将所述双层超透镜的几形波导结构分别设置在所述基底的两侧。
10.一种半导体激光器，其特征在于，包括：激光芯片和耦合器件，其中，所述耦合器件包括如权利要求1至9中任一项所述设计方法制得的单层超透镜和/或双层超透镜。
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| CN202410179427.6A CN117728282A (zh) | 2024-02-18 | 2024-02-18 | 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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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20190170314A1 (en) * | 2017-12-04 | 2019-06-06 | Osram Gmbh | Integrated planar reflective larp package and method |
| CN111969416A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-11-20 | 南京镭芯光电有限公司 | 半导体激光器装置 |
| CN114114677A (zh) * | 2021-10-14 | 2022-03-01 | 广州科易光电技术有限公司 | 一种双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法及超构透镜 |
| CN114755800A (zh) * | 2022-03-07 | 2022-07-15 | 维沃移动通信有限公司 | 镜头模组、电子设备和景深拓展方法 |
| CN115166947A (zh) * | 2022-06-08 | 2022-10-11 | 华南师范大学 | 一种轻型混合式超构红外镜头及其设计方法 |
| CN116560046A (zh) * | 2023-04-19 | 2023-08-08 | 华南师范大学 | 一种红外光学系统的消色差方法及其红外光学系统 |
| CN116859614A (zh) * | 2023-07-06 | 2023-10-10 | 苏州山河光电科技有限公司 | 激光器快慢轴准直器、激光器和激光器制作方法 |
-
2024
- 2024-02-18 CN CN202410179427.6A patent/CN117728282A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20190170314A1 (en) * | 2017-12-04 | 2019-06-06 | Osram Gmbh | Integrated planar reflective larp package and method |
| CN111969416A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-11-20 | 南京镭芯光电有限公司 | 半导体激光器装置 |
| CN114114677A (zh) * | 2021-10-14 | 2022-03-01 | 广州科易光电技术有限公司 | 一种双波长消色差偏振无关超构透镜设计方法及超构透镜 |
| CN114755800A (zh) * | 2022-03-07 | 2022-07-15 | 维沃移动通信有限公司 | 镜头模组、电子设备和景深拓展方法 |
| CN115166947A (zh) * | 2022-06-08 | 2022-10-11 | 华南师范大学 | 一种轻型混合式超构红外镜头及其设计方法 |
| CN116560046A (zh) * | 2023-04-19 | 2023-08-08 | 华南师范大学 | 一种红外光学系统的消色差方法及其红外光学系统 |
| CN116859614A (zh) * | 2023-07-06 | 2023-10-10 | 苏州山河光电科技有限公司 | 激光器快慢轴准直器、激光器和激光器制作方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 郭旭岳;李冰洁;樊鑫豪;钟进展;刘圣;魏冰妍;李鹏;赵建林;: "基于电介质超表面的光场复振幅调制及应用", 红外与激光工程, no. 09, 16 September 2020 (2020-09-16) * |
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