日前，法国蔚蓝海岸大学应用研究中心（CRHEA）Patrice Genevet领导的研究小组与北京工业大学光电子技术重点实验室合作使用超透镜的平面超薄光学结构，在垂直腔面发射激光器（VCSEL）中实现单轴控制。
图为超表面(MS)-VCSEL的光束偏转性能。a）用于光束转向设计的超表面光学图像；b）光束半径以不同角度偏转，作为传播距离的函数，用高斯函数拟合；c）在Z = 10 cm处具有不同偏转角的MS-VCSEL的测得的光斑模式图。
据了解，VCSEL由东京工业大学的Kenicha Iga于1977年首次提出，目前已成为一种通用且高效的光源。日前，来自法国与中国的合作研究团队在晶片级处理过程中将纳米图案的光束整形结构集成到每个激光器中，从而增强了VCSEL的性能。该研究团队认为，这种方法可以创建按需设计的光波阵面，从而构建具有所需光束轮廓的超紧凑型、可编程的片上激光阵列等设备。
VCSEL与其他激光器一样，包含一个腔体，可在腔体中产生并发射光以实现受激发射。超透镜也可产生相似的效果，但机制不同。在CRHEA团队的研究中，金属材料由砷化镓（GaAs）半导体膜制成，该膜上刻有纳米尺寸的圆柱。这些“纳米柱”之间的距离比光的波长短，其作用好比光学天线，可在穿梭的光线中引入空间变化的相位延迟，并根据需要模制光束轮廓。该研究结果为，可通过改变纳米天线间的大小、直径和间距，针对特定波长的光调整超表面。
为使激光准直，Genevet与同事针对不同形状和尺寸的天线使用了金属化设计。这些天线使相位延迟沿透镜径向分布，从而使光线远离中心折射，并使入射光的波阵面成形且聚焦。Genevet说：“我们使用的方法本质上是非侵入性的，可直接在芯片尺寸上进行光学透镜的单片集成。”
研究人员将研究成果发表于Nature Nanotechnology，研究实验以“反向发射”制造了VCSEL。研究人员通过将激光器的底部（衬底）表面雕刻到激光器中，使超表面直接集成到激光器中，该技术被称为超表面集成（MS）VSCEL。这意味着，金属镜仅用作无源光束整形元件，因此不会以任何方式改变或损害激光器的性能。
Genevet表示，研究团队正在开发潜在的其他有意义的应用，例如用于计算机鼠标的基本激光器、实现紧凑型激光雷达系统等。该技术还可在超紧凑晶圆级别对激光发射进行任意波前整形，从而简化了以往繁琐的光学元件组装过程。
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