全息激光发射器及其制造方法

技术领域

本申请一般涉及激光成像技术领域，具体涉及一种全息激光发射器及其制造方法。

背景技术

激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射激光(laser)的器件。

垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)为一种新型激光器，其具有高功率、单纵模、长寿命、可输出圆形光斑以及易于集成整合等特点，在通信和3D感测等领域有着较为广泛的应用。

但是，随着对VCSEL的激光发射功率的要求越来越高，导致激光器发射激光的出光角度却越大，激光的选模与偏振性调制难度加大，这制约了VCSEL在很多重要领域的应用。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种可以发射角度小、激光波长和偏振模式可控的高功率激光的全息激光发射器及其制造方法。

第一方面，本申请提供了一种全息激光发射器，包括：

激光发射模组，激光发射模组包括第一衬底以及设置于第一衬底上的发光功能膜层；

体全息光栅模组，体全息光栅模组设置于发光功能膜层远离第一衬底一侧的透光区域；

第二方面，本申请提供了一种全息激光发射器的制造方法，包括：

在第二衬底上依次形成体全息材料膜层和保护膜，得到体全息模组；

按照预设角度向体全息模组透射预设波长的干涉光，对体全息模组进行曝光，得到体全息光栅模组；

将体全息光栅模组贴覆于激光发射模组的透光区域，得到全息激光发射器，全息激光发射器用于发射预设波长和偏振模式的激光。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请实施例提供的全息激光发射器及其制造方法，该全息激光发射器包括：激光发射模组，激光发射模组包括第一衬底以及设置于第一衬底上的发光功能膜层；体全息光栅模组，体全息光栅模组设置于发光功能膜层远离第一衬底一侧的透光区域。该全息激光发射器可以发射角度更小，具有特定偏振模式和特定波长的高功率激光。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例提供的一种全息激光发射器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种体全息光栅模组的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种全息激光发射器的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种全息激光发射器的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种体全息光栅膜层的厚度与衍射效率的关系示意图；

图6为本申请实施例提供的另一种全息激光发射器的制造方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本申请实施例提供一种全息激光发射器，如图1所示，图1为该全息激光发射器截面的结构示意图，该全息激光发射器包括：

激光发射模组110，该激光发射模组110包括第一衬底111以及设置于第一衬底111上的发光功能膜层112，该发光功能膜层用于发射高功率激光。

体全息光栅模组120，该体全息光栅模组120设置于发光功能膜层112远离第一衬底111一侧的透光区域，发光功能膜层发射的激光经过该透光区域射出。

可选的，如图2所示，图2为该体全息光栅模组截面的结构示意图，该体全息光栅模组120，包括：第二衬底121、体全息光栅膜层122和保护层123，其中，该体全息光栅膜层122设置于第二衬底121上，该保护层123设置于体全息光栅膜层122远离第二衬底121一侧。该第二衬底的材料可以是塑料。

需要说明的是，在本申请实施例中，该体全息光栅模组可以实现对该激光发射模组发射的激光进行波段选择、激光发射角度压缩以及偏振性调制，使该全息激光发射器可以发射特定波长、角度更小和具有特定偏振模式的高功率激光。

在本申请实施例中，根据Kogelnik耦合波理论可知，体全息光栅模组对激光发射模组发射的激光可以实现波段选择和激光发射角度选择，可以使全息激光发射器发射预设波段和角度的高功率激光，实现激光调制。其中，可以通过体全息光栅模组的衍射效率来判断体全息光栅模组对激光的调制效果，衍射效率越高，体全息光栅模组对激光的调制效果越好，全息激光发射器发射的激光的纯度和方向性越好，通常情况下，体全息光栅模组衍射效率的影响因素包括体全息光栅膜层的厚度，体全息光栅膜层的光栅空间频率以及折射率调制度，其中，光栅空间频率指的是体全息光栅膜层的单位长度内亮暗条纹的周期数，通常情况下，该单位长度为毫米(mm)，则该光栅空间频率的单位为lp/m，该光栅空间频率与曝光形成该体全息光栅模组过程中使用的干涉光的波长有关，该光栅空间频率通常为干涉光波长的倒数；折射率调制度为制成体全息光栅膜层的材料在经干涉光曝光后，形成体全息光栅膜层的过程中的折射率变化量，该折射率调制度通常与制成体全息光栅膜层的材料有关。

可选的，在本申请实施例中，为了保证该体全息光栅模组可以对激光发射模组发射的激光进行调制，以使该全息激光发射器可以发射任一波长且出射角度更小的激光，该体全息光栅膜层的厚度可以大于或者等于10微米，在该体全息光栅模组的制作过程中，经过任一波长的干涉光曝光后获得的体全息光栅模组中，体全息光栅膜层的光栅空间频率可以为大于或者等于1000lp/mm，其中，体全息光栅膜层的材料为光致聚合物或者重铬酸钾明胶，优选的，该体全息光栅膜层的材料为光致聚合物，该光致聚合物的折射率调制度通常大于或者等于0.05，优选的，该光致聚合物的折射率调制度可以为0.153，可以增强该体全息光栅模组对,任一波段的激光的调制效果。可理解的是，该任一波长为任一可见光或者红外光的波长，该波长可以为400纳米至1500纳米。

可以理解的是，在本身申请实施例中，在利用任一波长的干涉光曝光获得体全息光栅模组后，该体全息光栅模组设置于激光发射模组上得到全息激光发射器，可以发射该波长的激光。示例的，若该体全息光栅模组是利用532纳米的干涉光曝光形成的，则设置有该体全息光栅模组的全息激光发射器可以发射532纳米的激光。

可选的，在本申请实施例中，该激光发射模组可以为垂直腔面发射模组，则如图3所示，图3为全息垂直腔面发射激光器截面的结构示意图，其中，激光发射模组110的发光功能膜层112可以包括：N型布拉格反射镜组1121，该N型布拉格反射镜组1121设置于第一衬底111一侧；有源区1122，该有源区1122设置于N型布拉格反射镜组1121远离第一衬底111一侧；氧化限制层1123，该氧化限制层1123设置于有源区1122远离第一衬底111一侧；P型布拉格反射镜组1124，该P型布拉格反射镜组设置于氧化限制层1123远离第一衬底111一侧；钝化层1125，该钝化层1125设置于P型布拉格反射镜组1124远离第一衬底111一侧的第一区域w1；P面电极1126，该P面电极1126设置于P型布拉格反射镜组1127远离第一衬底111一侧的第二区域w2，该第一区域包围第二区域，第二区域包围透光区域w3，该体全息光栅模组120设置于该透光区域。优选的，对于为了保护该激光发射模组110的出光区域不被空气中的水分和氧气氧化，以及防止灰尘对该激光发射模组的损伤，如图4所示，可以在该垂直腔面发射激光器中P型布拉格反射镜组1124远离第一衬底111一侧的透光区域设置保护膜1127，并将全息光栅模组120设置于该保护膜1127上。

在本申请实施例中，体全息光栅模组可以对激光发射模组发射激光的偏振模式进行调制，其中，该体全息光栅模组可以调制出何种模式的偏正光，是基于衍射效率与干涉光偏振的关系确定的，该衍射效率与干涉光偏振的关系为：

其中，

可以理解的是，在本申请实施例中，若为了使该体全息光栅模组筛选出具有偏振性的TE光，可以控制该横电波(TE光)分量为最大值，即

类似的若为了使该体全息光栅模组筛选出具有偏振性的TM光，可以控制该横磁波(TM光)分量为最大值，即

则在利用干涉光曝光获得体全息光栅模组的过程中，由于折射率调制度Δn，干涉光的波长λ，体全息光栅膜层的厚度d，为已知变量，则可以通过控制干涉光的入射角α，保证最终获得的体全息光栅模组可以调制出TE模式的激光或者TM模式的激光。

需要说明的是，在本申请实施例中，该全息激光发射器可以发射蓝色激光、绿色激光或者红色激光，则该全息激光发射器可以对激光发射模组发射的激光进行调制，以使该全息激光发射器蓝色激光、绿色激光或者红色激光，如图5所示，图5为体全息光栅膜层的厚度与衍射效率的关系示意图，横轴为体全息光栅膜层的厚度，纵轴为衍射效率。其中，体全息光栅膜层的厚度为12微米，折射率调制度为0.153时，对蓝光L1的衍射效率最佳，体全息光栅膜层的厚度为15微米，且折射率调制度为0.153时，对绿光L2的衍射效率最佳，体全息光栅膜层的厚度为20微米，且折射率调制度为0.153时，对红光L3的衍射效率最佳。

可选的，在本申请实施例提供的一种全息激光发射器中，该体全息光栅模组可以对激光发射模组发射的激光进行调制，使该全息激光发射器发射波长为457纳米的蓝色激光，在制作该体全息光栅模组的过程中，该体全息光栅模组中的体全息光栅膜层的厚度可以为12微米，折射率调制度可以为0.153，该体全息光栅模组可以是利用波长为457纳米的干涉光曝光形成的，其中，体全息光栅膜层的光栅空间频率可以为2188lp/mm，设置该体全息光栅模组的全息激光发射器可以发射角度为4度的TE模式的蓝色激光，或者，设置该体全息光栅模组的全息激光发射器发射角度为4度的TM模式的蓝色高功率激光。

可选的，在本申请实施例提供的一种全息激光发射器中，该体全息光栅模组可以对激光发射模组发射的激光进行调制，使该全息激光发射器发射波长为532纳米的绿色激光，在制作该体全息光栅模组的过程中，该体全息光栅模组中的体全息光栅膜层的厚度可以为15微米，折射率调制度可以为0.153，该体全息光栅模组可以是利用波长为532纳米的干涉光曝光形成的，其中，体全息光栅膜层的光栅空间频率为1879lp/mm，设置该体全息光栅模组的全息激光发射器可以发射出射角度为6度的TE模式的绿色激光，或者，设置该体全息光栅模组的全息激光发射器可以发射出射角度为6度的TM模式的绿色高功率激光。

可选的，在本申请实施例提供的一种全息激光发射器中，该体全息光栅模组可以对激光发射模组发射的激光进行调制，使该全息激光发射器发射波长为633纳米的红色激光，在制作该体全息光栅模组的过程中，该体全息光栅模组中的体全息光栅膜层的厚度可以为20微米，折射率调制度可以为0.153，该体全息光栅模组可以是利用波长为633纳米的干涉光曝光形成的，其中，体全息光栅膜层的光栅空间频率为1579lp/mm，设置该体全息光栅模组的全息激光发射器可以发射出射角度为8度的TE模式的红色激光，或者，该体全息光栅模组的全息激光发射器可以发射出射角度为8度的TM模式的红色高功率激光。

可选的，在本申请实施例提供的一种全息激光发射器中，该体全息光栅模组可以对激光发射模组发射的激光进行调制，使该全息激光发射器发射波长为850纳米的红外激光，在制作该体全息光栅模组的过程中，该体全息光栅模组中的体全息光栅膜层的厚度可以为28微米，折射率调制度可以为0.153，该体全息光栅模组可以是利用波长为850纳米的干涉光曝光形成的，其中，体全息光栅膜层的光栅空间频率为1681lp/mm，设置该体全息光栅模组的全息激光发射器可以发射出射角度为4度的TE模式的红外激光，或者，该体全息光栅模组的全息激光发射器可以发射出射角度为4度的TM模式的红外高功率激光。

可选的，在本申请实施例提供的一种全息激光发射器中，该体全息光栅模组可以对激光发射模组发射的激光进行调制，使该全息激光发射器发射波长为940纳米的红外激光，在制作该体全息光栅模组的过程中，该体全息光栅模组中的体全息光栅膜层的厚度可以为31微米，折射率调制度可以为0.153，该体全息光栅模组可以是利用波长为940纳米的干涉光曝光形成的，其中，体全息光栅膜层的光栅空间频率为1452lp/mm，设置该体全息光栅模组的全息激光发射器可以发射出射角度为4度的TE模式的红外激光，或者，该体全息光栅模组的全息激光发射器可以发射出射角度为4度的TM模式的红外高功率激光。

综上所述，本申请实施例提供一种全息激光发射器，激光发射模组，激光发射模组包括第一衬底以及设置于第一衬底上的发光功能膜层；体全息光栅模组，体全息光栅模组设置于发光功能膜层远离第一衬底一侧的透光区域。该全息激光发射器可以发射角度更小，具有特定偏振模式和特定波长的高功率激光。

本申请实施例提供一种全息激光发射器的制造方法，如图6所述，该方法包括：

步骤201、在第二衬底上依次形成体全息材料膜层和保护膜，得到体全息模组。

在本步骤中，可以采用镀膜工艺在第二衬底上形成体全息材料膜层，接着，在该体全息材料膜层上形成保护层。其中，该体全息材料膜层的材料可以是光致聚合物或者重铬酸钾明胶。

可选的，若需要最终制成的全息激光发射器发射TE模式的蓝色激光，则在本步骤中，在形成体全息材料膜层的过程中，可以控制该全息材料膜层的厚度为12微米。

步骤202、按照预设角度向体全息模组透射预设波长的干涉光，对体全息模组进行曝光，得到体全息光栅模组。

在本申请实施例中，可以基于最终终制成的全息激光发射器发射的激光的偏振模式，确定干涉光的入射角度。

可选的，若需要最终制成的全息激光发射器发射TE模式的蓝色激光，该体全息模组中体全息材料膜层的材料为光致聚合物，该光致聚合物的折射率调制度为0.153，该体全息材料膜层的厚度为12微米，该干涉光的波长为457纳米，则在本步骤中，可以向该体全息模组透射457纳米的干涉光对该体全息模组进行曝光，得到体全息光栅模组，该体全息光栅模组中的体全息光栅膜层是体全息模组中的全息材料膜层经干涉光曝光后形成的，其中，干涉光的入射方向为90度，体全息光栅模组中体全息光栅膜层的光栅空间频率可以为2188lp/mm。

步骤203、将体全息光栅模组贴覆于激光发射模组的透光区域，得到全息激光发射器。

在本步骤中，可以将该体全息光栅模组贴覆于激光发射模组的透光区域，得到全息激光发射器，该全息激光发射器用于发射预设波长的和偏振模式的高功率激光。示例的，若该激光发射模组为垂直腔面发射模组，可以得到全息垂直腔面发射激光器，该全息垂直腔面发射激光器的结构示意图可以参考图3。

示例的，假设该体全息光栅模组是经过457纳米的干涉光以90度入射角度曝光形成的，则该体全息光栅模组贴覆于激光发射模组的透光区域后，得到的全息激光发射器可以发射出射角度为4度，偏振模式为TE模式的蓝色激光。

综上所述，本申请实施例提供一种全息激光发射器的制造方法，可以在第二衬底上依次形成体全息材料膜层和保护膜，得到体全息模组；按照预设角度向体全息模组透射预设波长的干涉光，对体全息模组进行曝光，得到体全息光栅模组；将体全息光栅模组贴覆于激光发射模组的透光区域，得到全息激光发射器，该全息激光发射器可以发射预设波长和偏振模式的以及角度更小的高功率激光。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。