用于半导体激光器阵列准直的微透镜设计与工艺研究

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1、摘要半导体激光器在光子学领域有着极为广泛的应用。与固体激光器和气体激光器相比较，半导体激光器拥有很多显著的优点：尺寸小，成本低，很高的输入输出转化效率。与此同时，半导体激光器也存在着致命的缺点：其输出的光束为椭圆像散光束，发散角非常大。近年来，半导体激光器在高功率方面的应用获得了广泛的关注。在涉及耦合激光到光纤、泵浦固体激光器包括光纤激光器、材料处理以及医学手术等方面的应用时，光束的功率密度和总的输出功率都是一个很重要的参数。对于这种有很大发散角的、部分连续的线扩展光源的准直，是个很棘手的难题。采用传统光学手段很难完成。在这里，我们设计、制作并测试了一种由折射或者衍射

2、器件组成的微光学元件来完成这个目标。本课题来源于国家“863”项目的一个子课题，主要内容如下：(1)介绍了半导体激光器的特性，回顾总结了传统准直方法，给出准直设计所面临的困难，相应的提出微透镜准直方法。(2)阐述了准直微透镜阵列设计的相关原理。针对基于几何光学的矩阵光学和基于衍射理论的的二元光学的研究，为微透镜的设计作出了理论准备。(3)运用相关理论，设计了由一片或者两片微透镜组成的准直系统，提出了使用BCB材料制作微透镜的可能性，并设计了相关的透镜参数。(4)讨论了制作微透镜阵列的工艺方法，重点研究了采用SF6/O2/CHF3三组分反应离子刻蚀技术制作微透镜的方法，

3、运用实验设计和统计分析方法，研究了硅刻蚀速率和选择比对刻蚀参量的依赖关系，实验获得了制作微透镜的优化刻蚀工艺。(5)运用热熔成型工艺及反应离子刻蚀工艺制备了BCB微透镜样品，并对其点扩散函数进行了相应测试，评估了准直效果。关键词：微透镜阵列半导体激光器准直反应离子刻蚀IABSTRACTDiodelasershavevariousapplicationsinthefieldofphotonics.Incomparisonwithsolid-stateorgaslaserstheadvantagesofdiodelasersaretheirsmalldimensions,

4、lowcost,highoutput-to-inputconversionefficiency,whereasamongdrawbacksofdiodelasersbelonganellipticity,astigmatism,andastrongdivergencyofanoutgoingbeam.Inrecentyear,high-powerapplicationsforsemiconductorlaserhavebeenofgrowinginterest.Opticalpowerdensityandtotalpowerareimportantparameters

5、forlasersystemsinapplicationsinvolvingcouplingoflightintoopticalfibers,pumpingsolidstatelasersincludingfiberlasers,processingmaterialsandmedicalprocedures.Efficientcollimationofsuchapartiallycoherent,linearlyextendedlightsourcewithlargedivergenceanglesisanon-trivialproblemanddifficultto

6、achievewithconventionaloptics.Wedesigned,fabricated,andcharacterizedamicro-opticaldevicewithdiffractiveorrefractiveopticalelements.Themaincontentsofthispaperarepresentedas:(1)Introducethecharacteristicofsemiconductorlaserdiodeandthetraditionalwaytocollimateit.Thedifficultandthemethodtor

7、esolveitbymicrolensispresented.(2)Thematrixopticsbaseongeometryopticsandbinaryopticsbaseondiffractivetheoryareresearchedtodesignthemicrolens.(3)Acollimatingsystemwithtwooronealignedmicrolenselementsisdesigned.Theparametersofthemicrolensareworkedoutbaseonthematrixopticsandbinary