摘要：本文首先簡要介紹了折射型、衍射型微光學(xué)元件及其制作方法。針對半導(dǎo)體激光器和微光學(xué)陣列元件的特點(diǎn)，分析了采用微透鏡陣列實現(xiàn)半導(dǎo)體激光器陣列光束準(zhǔn)直、整形以及光纖耦合的方法，并給出一個實例。
關(guān)鍵詞：微光學(xué)元件、半導(dǎo)體激光器陣列、光束準(zhǔn)直、光束整形、光纖耦合
1、微光學(xué)元件簡介
微光學(xué)（Micro-Optics）是未來微光電機(jī)系統(tǒng)（Micro-Optical-Electrical-Mechanical System，MOEMS，也稱微機(jī)械系統(tǒng)，Micro-Electrical-Mechanical System）中三大（另兩大組成部分是微電子和微機(jī)械）重要組成部分之一，有時也稱光學(xué)微機(jī)械（Optical MEMS）。微光學(xué)元件具有體積小、重量輕、設(shè)計靈活可實現(xiàn)陣列化和易大批量復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)已成功地應(yīng)用到現(xiàn)代光學(xué)的各個領(lǐng)域中，如校正光學(xué)系統(tǒng)的像差、改善光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量、減輕系統(tǒng)的重量。更為廣泛的應(yīng)用是激光光學(xué)領(lǐng)域，用于改變激光光束波面，實現(xiàn)光束變換，如光束的準(zhǔn)直、整形及光學(xué)交換和光學(xué)互聯(lián)等。微光學(xué)元件按照光傳播的途徑可簡單地分為兩大類：衍射光學(xué)元件（Diffractive Optical Elements， DOEs）和折射性光學(xué)元件（Refractive Optical Element，ROEs）。衍射型微光學(xué)元件中比較常用的一種是二元光學(xué)元件（Binary Optical Element，BOEs），以多臺階面形來逼近連續(xù)光學(xué)表面面形，是微光學(xué)元件中比較重要的一類。相應(yīng)的微光學(xué)元件的設(shè)計方法有衍射方法和折射傳播的幾何光學(xué)方法，如Fresnel 波帶法、G-S 算法、遺傳算法、光線追跡等。目前比較成熟的商業(yè)化軟件如CODE V，ZEMAX， OSLO 等都具備微光學(xué)元件和系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計功能。
2、微光學(xué)元件的制作方法
微光學(xué)元件的制作方法歸納起來有兩種：機(jī)械加工方法和光學(xué)加工方法。機(jī)械加工方法主要有[1]：光纖拉制（Drawing of Fiber Lenses）、超精度研磨（Ultraprecision Grinding）、注模（Moulding）、金剛石車削（Diamond Turning）等。光學(xué)加工方法就是光刻（Photolithography）。機(jī)械加工方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝過程簡單，缺點(diǎn)是難于實現(xiàn)陣列型器件和大規(guī)模廉價復(fù)制，而且不易制作非旋轉(zhuǎn)對稱微光學(xué)元件，如柱面透鏡、任意不規(guī)則面型微光學(xué)。光學(xué)加工方法的優(yōu)點(diǎn)是：能實現(xiàn)任意不規(guī)則面型透鏡（尤其是二元微光學(xué)元件更是如此），可以大規(guī)模復(fù)制、缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜、對環(huán)境要求較高。光學(xué)光刻可實現(xiàn)二元衍射微光學(xué)元件和連續(xù)面形微光學(xué)元件，主要有二元光學(xué)方法、掩模移動法、灰階掩模法、熱熔法和梯度折射率方法等。圖1是采用光刻方法加工8臺階二元衍射微光學(xué)元件的加工工藝原理，采用三塊不同頻率的掩模，通過三次甩膠、曝光、顯影、刻蝕等工藝實現(xiàn)95%衍射效率的微光學(xué)元件。圖2是采用掩模移動法制作連續(xù)面形微光學(xué)陣列元件，首先根據(jù)要求的面形設(shè)計掩模，然后在曝光過程中通過移動掩模，實現(xiàn)各部分的不同曝光量，最后通過顯影、反應(yīng)離子刻蝕，將光刻膠的面形傳遞到光學(xué)表面材料上�；译A掩模法是根據(jù)微光學(xué)元件所需面型，對掩模進(jìn)行灰階編碼，形成相應(yīng)的光強(qiáng)透過率分布函數(shù)，通過一次曝光、顯影，即可得到相應(yīng)的光刻膠面形，最后通過刻蝕，得到光學(xué)材料上的面形，如圖3所示。熱熔法是通過曝光后光刻膠的表面張力作用的收縮，形成面形，如圖4所示。這幾種方法中，熱熔法由于面形不容易控制和難于制作不規(guī)則面形而應(yīng)用領(lǐng)域受到限制，二元衍射方法雖然能實現(xiàn)各種復(fù)雜面形而得到廣泛應(yīng)用，但受到光刻線寬分辨率的限制而不能制作較大數(shù)值的微光學(xué)元件；掩模移動法能制作較大數(shù)值孔徑元件但難于制作不具有中心對稱或旋轉(zhuǎn)對稱元件。灰階掩模法具有設(shè)計靈活、能制作任意面形的微光學(xué)元件，但是掩模制作過程中數(shù)據(jù)量較大，難于精確地控制面形�？偟恼f來，二元衍射方法適合于小數(shù)值孔徑微光學(xué)元件而連續(xù)面形方法適合于制作大數(shù)值、小 口徑微光學(xué)元件。 
 3.1 半導(dǎo)體激光器特性及光纖耦合方法