一种对辐射进行准直的设备可包括亚波长尺寸的孔以及在金属膜上限定的邻近的一组槽，该金属膜与发射辐射的有源或无源装置一体形成。在激光器或其他辐射发射装置的端面上集成光束准直仪提供了光束准直和极化选择。与现有激光器的输出相比，光束发散度可减小一个以上数量级。具有孔槽结构的有源光束准直仪可与多种光学装置集成，例如半导体激光器（例如量子级联激光器）、发光二极管、光纤以及光纤激光器。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】改进辐射束准直的方法和装置政府资助的研究与本文公开的内容相关的一些研究是由美国空军科学研究局根据第 FA9550-04-1-0434号合约资助的，美国政府对部分公开内容具有一定权利。
技术介绍
对于需要在远场将光以小角度集中的很多应用，例如，印刷(例如激光打印机)、 自由空间光通信或遥感，准直光束辐射源都是期望的。对于将激光输出耦合到光纤和光波 导中的应用，例如，光通信系统的互联，准直光源也很重要。通常利用庞大且通常昂贵的光 学元件(例如透镜或抛物面镜)在外部实施光源准直。本文中，准直被定义为具有低发散 角(例如几度或更少)，对于半导体激光器而言，准直包括充分小于未进行准直的原始装置 的发散角度值(例如十至几十度)的发散角度。因为准直光源提供具有低发散角的输出光 束，因此这样的光源一般不需要额外的准直透镜和精确的光学对准来得到期望的束剖面和 /或方向性。在需要超准直光束(例如发散角远小于1度)的情况，准直光源仍然可能需要 使用低数值孔径(NA)透镜，与直接使用高NA透镜相比较，这是有成本效益的解决方案。对于很多现有技术的光源，其辐射的空间分布具有固有的大发散角度。例如，来自 发光二极管(LED)的p-n结的辐射在装置内部几乎为全向的。如果考虑波导和装置封装对 光输出的影响，则LED的发散角仍然非常大(例如至少几十度)。对于边发射半导体激光 器，在材料生长方向的发散角度通常较大(例如几十度)。这是因为在材料生长方向的激 光波导w通常与自由空间中的激光波导Xci相当或小于自由空间中的激光波导λ—当激 光辐射从这样受限的波导传播至自由空间时，激光辐射分散为可由λ ^w粗略估计的角度， 从而生成1弧度或大约60度数量级的发散角。在半导体激光器中，垂直腔表面发射激光器 (VCSEL)被认为在光束准直中是优异的，因为VCSEL通常具有与边发射激光器相比较大的 发射面积。商用VCSEL具有从5至30度范围的发散角，但是通常约为15度。然而，尽管通 过VCSEL得到较小的发散角，但是VCESL具有不稳定的输出极化的内在问题。之前，Lezec等人提出并证明了能对入射的可视光进行准直的无源孔槽结 构。该孔槽结构被限定在悬浮金属膜上，且被 包括在由周期性的槽环绕的中心孔中。Lezec的结论示出，适当地设计的无源孔槽结构可具 有高的功率通量，且从该结构发出的光束可具有小的发散角度。然而，这些结论可认为是与 违反直觉的，因为波动光学提出，从亚波长孔发出的光本质上在半空间中应是全向性的，并 且单个亚波长孔的传输效率应该与(r/λ J4是成比例的，(Γ/λ0)4<< 1，其中r为孔的尺 寸。可以按照如下理解Lezec著作的光束准直现象。孔发出的光耦合到沿光栅传播的 表面等离子体激元中。表面等离子体激元是受限于金属与电介质之间的界面并沿金属与电 介质之间的界面传播的表面电磁波。这些表面等离子体激元通过周期性的栅槽散射入自由空间。来自孔的直接发射和源于表面等离子体激元散射的再发射彼此相长干涉，从而得到 在远场的准直光束。
技术实现思路
专利技术人认识并了解到，很多现有光子装置的辐射发射特征相对于光束准直明显地 改进。尤其是，专利技术人认识到，将称为等离子体准直仪的孔槽结构与有源光子装置或其他辐 射发射装置集成，以产生与之前的系统相比具有减小的发散角和相当的功率通量级别的准 直光束。可有效地利用具有亚波长的适合的金属结构，以直接设计半导体激光器的远场，并 大大减小半导体激光器光束的发散角。利用等离子体结构或更一般的光子晶体的激光光束 的波前工程学对激光科学和技术的进一步发展具有深远的影响。综上所述，本公开旨在改进装置辐射的准直的方法和设备。本文描述的示例性的 实施方式中，各种现有的有源和无源光学装置与被配置以改进从光学装置发射的辐射的准 直的各种孔槽结合。在不同的示例性实施方式中，为了明显增加准直效果，专利技术人认识到， 对于特定的光学装置和期望的输出参数(例如波长、方向、发散等)，可对金属结构(例如 孔、槽等)的布置(例如方向、间距、数量等)以及尺寸进行特制。这样，此处描述的示例性 实施方式说明了与各种现有光学装置集成的适合的孔槽布置，以提供具有改进的光束准直 的改进的装置。专利技术人还认识到在近场控制亚波长的光来实现远场的光束准直。因此，本文公开 的不同方案提供了对传统光束准直方法的重大改进。孔槽结构的基础物理原则为将本公开 应用到各种光学系统提供了相当的灵活性。例如，利用此处公开的方法和设备可实现宽广 的应用范围，从极化可控的垂直腔表面发射激光器到低发散角的发光二极管，再到自由耦 合的光纤。在下面详细描述的示例性实施方式中，在量子级联激光器的端面上集成孔槽结 构，从而产生发散角比未改进的量子级联激光器输出光束的发散角小一个以上数量级的输 出光束。可在一维(即与装置的材料生长方向平行的方向)或在二维(即与材料生长方向 平行和垂直的方向)上实现减小光束发散。具有孔槽结构的装置的功率通量与未改进的量 子级联激光器的功率通量相当。通过该结构可提供的其他优点包括，当等离子体激元准直仪与光源集成时无需执 行对准。另外，通过对等离子体激元准直仪进行调整，准直仪可安装在发射波长从可视光到 远红外的宽范围内的任何类型的光源上。进一步，等离子体激元准直仪可实质上控制两个 正交方向上的光束发散，这对于需要具有圆形截面的准直光束来减小沿光路的畸变的一些 应用而言是有帮助的。术语“光源”应该理解为指各种有源或无源的辐射发射装置中的任何一种或多种， 包括但不限于，各种非相干光源(例如发光二极管)、各种类型的激光器、光纤等。给定的光 源可被配置以生成在可视光谱内的辐射、可视光谱外的电磁辐射、或两者的结合。因此，术 语“光”和“辐射”在本文可互换。应该理解的是，上述方案以及下面将详述的其他方案的所有组合都视为本文公开 专利技术主题的一部分。还应该理解的是，本文使用并还可能出现在通过引用而并入的任何公 开文献中的术语应理解为与本文公开的特定方案的意义最一致。附图描述附图说明图1示出了等离子体激元准直的工作机理；图2示出了等离子体激元准直仪的第一构造的横截面图，在该构造中，装置端面 上的涂层包括绝缘薄膜和厚金属膜，其中，在厚金属膜中限定有孔和槽；图3示出了等离子体激元准直仪的第二构造的横截面图，该构造是通过首先在裸 露的装置端面直接刻槽、然后沉积绝缘层和金属层、再开孔而形成的；图4示出了形成有一维(ID)等离子体激元准直仪图案的边发射激光器，其中，假 设电场极化为垂直的；图5示出了形成有一维(ID)等离子体激元准直仪图案的边发射激光器，其中，假 设电场极化为水平的；图6示出了形成有二维(2D)等离子体激元准直仪图案的边发射激光器；图7示出了图5中装置的装置端面上表面等离子体激元的强度分布，其中，假设电 场极化为垂直的；图8示出了装置端面上槽间距的变化，以及端面上表面等离子体激元波长的变 化，其中，两者随着远离孔径而稍微地增加；图9示出了矩形孔，通过该矩形孔装置辐射出到端面表面上；图10示出了 C状孔，通过该C状孔装置辐射出到端面表面上；图11示出了 H状孔，通过该H状孔装置辐射出到端面表面上；图12示出了螺旋孔，通过该螺旋孔装置辐射出到端面表面上；图13示出了螺旋状孔的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种生成准直辐射的设备，包括：辐射发射装置，其包括电介质材料形成的端面，所述辐射发射装置限定辐射发射的通道；以及金属膜，其涂覆在所述电介质材料上，所述金属膜限定至少一个孔和与所述孔间距递增地间隔的一组槽，来自所述通道的辐射能够穿过所述孔，并且表面等离子体激元能够在所述孔处生成，所述孔与最近的槽之间的距离与连续间隔的槽之间的距离不同，并且所述槽被配置为使表面等离子体激元散射以产生辐射再发射，从而使来自所述孔的直接发射和来自所述槽的辐射再发射相长干涉以产生在远场的准直辐射。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：费德里科卡帕索，虞南方，乔纳森凡，
申请(专利权)人：哈佛大学的校长及成员们，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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