VCSEL集成超构表面，探索片上照明新范式
2024-02-04 22:45:02 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
VCSEL与超构表面的集成已被证明能够实现芯片上的高角度照明，可用于全内反射和暗场显微镜。这种超紧凑型激光器与光束整形器组合的片上系统提供用于高对比度成像的多功能照明模块，从而利用生物光子学和芯片实验室技术，促进生命科学领域的应用。
作者：Nir Shitrit（本·古里安大学）
垂直腔面发射激光器（VCSEL）与超构表面（Metasurface）的集成已被证明能够实现芯片上的高角度照明，可用于全内反射和暗场显微镜。这种超紧凑型激光器与光束整形器组合的片上系统提供用于高对比度成像的多功能照明模块，从而利用生物光子学和芯片实验室（lab-on-a-chip）技术，促进生命科学领域的应用。
1801年，Thomas Young进行了一项革命性的光学实验——双缝实验，他通过平面波穿过双缝的干涉，展示了结构光（条纹）的一维强度。Thomas Young对条纹图案的观察证明了光的波动性，从那时起，条纹图案就成为了干涉测量术的基础。干涉测量术是一项从医学成像到计量学的基础技术，也推动从光子本质到引力波探测的发现。最初的高影响力双缝实验清楚地说明了光学系统的基本组成部分的必要性：光源（特别是激光器）和光束整形器。传统上，激光器和光束整形器是独立的部件。然而，在现代光子学中，由于在操控所有基本光属性的同时对小型化的需求不断增长，因此，激光器和光束整形器在超紧凑型芯片级平台上的集成不断引起科研人员的兴趣。
就激光器而言，垂直腔面发射激光器（VCSEL）是无与伦比的超紧凑型激光源。VCSEL是一种半导体激光二极管，其中激光腔（包括有源区域）夹在底部和顶部分布的布拉格反射器之间，可从顶部或底部表面垂直发射激光束。VCSEL具有器件占用空间小、阈值电流低、工作电压低和功耗低等特点。这些特点以及高效率和适合晶圆级生产的优点，使得VCSEL在各种结构光应用中得到了充分利用，例如激光雷达（LiDAR）、三维成像、人脸识别、增强现实（AR）等。
据麦姆斯咨询介绍，通过精确设计材料的亚波长结构，超构材料（Metamaterial）已经显现出对电磁特性的精细控制，并通过实验证实了自然界中没有的特性，例如负折射率和变换光学的隐形斗篷。光学超构表面是维度降低的超构材料，即工程化的亚波长间隔纳米散射体的二维超薄阵列，通过沿着界面传递相变来任意调制光学波前。通过对光的基本特性（相位、振幅和偏振等）提供前所未有的同时操控，超构表面旨在通过实现几乎平坦、超薄和轻质的光学表面来取代笨重的光学元件，从而彻底改变光学设计。超构表面的光散射特性可以通过选择纳米结构的材料、尺寸、几何形状、方向和环境来控制，因此，超构表面通过促进信息像素和纳米结构之间的一一对应，为基于结构化界面的平面光子学开辟了新的道路。
引人注目的是，对于光束整形器来说，超构表面是与VCSEL集成的有前途的候选者，因为超构表面能够通过平面光学架构对光学波前进行定制成型。实际上，VCSEL非常适合与超构表面进行单片集成，因为其可以被设计用于垂直于芯片外延结构的单模发射，因此，超构表面可以轻松集成到在透明衬底上制造底部发射VCSEL的工艺流程中。这种激光器（VCSEL）和光束整形器（超构表面）的集成为超紧凑型结构光系统探索新的范式，该系统的激光发射内置结构如图1所示。由此产生的VCSEL集成超构表面受益于在激光器和光束整形器之间具有精细的内置制造对准，具有重量轻、小尺寸的优势。据报道，超构表面与VCSEL的成功集成已经展示出发散光的准直、光束偏转、贝塞尔光束的生成、轨道角动量（涡旋）光束的生成、高度均匀光束阵列的生成、圆偏振输出等功能。
图1：从单独的超构表面到VCSEL集成超构表面。左：具有典型的偏振相关（左下）和偏振无关（右下）设计的超构表面透镜（超构透镜）图示，插图展示了传统的笨重物镜。右图：VCSEL集成超构表面图示，其中弯曲的超构光栅以高角度偏转激光发射，用于高对比度全内反射（TIR）和暗场（DF）显微镜，插图展示了传统的TIR显微镜。所有比例尺对应1 μm。
近年来，生物光子学的研究重点是利用光散射技术分析纳米级物体（生物纳米颗粒、生物大分子、药物载体等）的无标记方法。在应用方面，M. Juodėnas等人最近在Light: Science & Applications期刊上发表的一项研究工作使VCSEL集成超构表面更进一步，进入了高对比度显微镜和生物光子学领域。论文作者展示了VCSEL和超构光栅之间的集成，其中的超构光栅可在TIR和DF显微镜中以高角度偏转激光发射（图1）。超构光栅的功能是在面外准直发散激光发射，同时保持面内高斯发散，从而产生离轴拉长（光片）照明。此外，超构光栅纳米结构的独特设计克服了单片集成中依赖于深宽比的蚀刻的制造挑战。这项研究工作为用于高对比度成像的超紧凑、多功能片上照明模块探索新的范式。该照明模块廉价、高效，并且在激光器和光束整形器之间具有精细的对准。该平台与传统的显微镜设置的兼容性将利用生物光子学和芯片实验室技术，促进生命科学研究和应用。
可以预见的是，VCSEL集成超构表面将为具有精细波前和偏振控制的超紧凑型片上照明模块探索新的范式，为基础研究和高级应用带来令人兴奋的机会。理想情况下，本文所提出的照明模块将与荧光成像相结合；然而，到目前为止，还缺乏在1000 nm波长（GaAs基VCSEL的工作波长范围）附近工作的高效荧光团。虽然这是一个活跃的研究领域，但是VCSEL集成超构表面可能会进一步引发对合适功能荧光团的探索，以证明其对荧光成像有用。另一方面，VCSEL适合晶圆级生产，有望将VCSEL集成超构表面的范围扩展到VCSEL阵列，这将适用于需要高功率的生命科学领域。沿着这条线，从增益腔的角度来看，超越标准纯相位印记的新颖超构表面设计的出现将为超构表面和多模VCSEL的集成铺平道路。此外，支持超高数值孔径的先进超构表面概念将进一步增强VCSEL集成超构表面对高对比度显微镜和生物光子学的影响。
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