本发明是一种幅度相位联合调制编码超表面垂直腔面发射激光器属于新型人工电磁超材料领域和光电子集成器件领域。
背景技术：
1、超材料，有时也称新型人工电磁材料、新型人工电磁媒质、特异介质等，英文名metamaterials，拉丁语“meta-”表达有“超出”之意。超材料就是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期性或非周期性排列，使其具有天然材料所不具备的超常电磁特性的人工复合结构或人工复合材料。由于电磁超材料可以实现对电磁波灵活的调控，电磁超材料在电磁隐身方面展现出了极大的应用价值，受到国内外军事领域的广泛关注。超表面(metasurface)的单元厚度小于一个波长甚至更薄，可将其视为二维平面形式的超材料。与超材料相比，超表面具有成本低、损耗小、体积小和易共形等优点。2011年“广义斯涅耳定律”的提出简化了超表面的设计方案，大幅度地推动了超表面的发展，自此大量关于超表面的工持续涌现。凭借着对光波、电磁波和声波传输的精准操纵，超表面作为一门新兴的交叉学科，在多个领域掀起了研究热潮。
2、在半导体激光器表面上直接制备超表面，通过调控超表面上的相位分布，激光器能够实现多种功能性激光光场。与传统分离式光学超表面系统相比，此类超表面激光器体积小、剖面低，可称为“集成式”超表面激光器。在超表面激光器设计中创新性的引入幅相联合调制方案，充分发挥幅度相位超表面的优势，提高超表面激光器的调控能力，丰富超表面激光器功能的多样性。幅相超表面激光器以芯片化的形式呈现，既具有微小体积、易于集成的优势，又能完成高质量复杂激光功能的调控，拓展了此类激光器芯片在三维传感、激光通信和人脸识别等领域的应用。
技术实现思路
1、本发明的目的是提出一种幅度相位联合调制编码超表面垂直腔面发射激光器，可以实现对vcsel出射激光进行调控，从而在激光器出射空间实现多平面全息成像。在vcsel出光口直接制备超表面单元结构，通过合理设计超表面矩形单元的旋转角和几何尺寸，结合幅相联合编码设计方案，实现激光器光源与超表面的一体化设计。
2、本发明的创新在于提出一种幅度相位联合调制编码超表面垂直腔面发射激光器，由垂直腔面发射激光器vcsel和幅度相位联合调制超表面两部分构成；
3、垂直腔面发射激光器vcsel用于出射973nm波长的激光，负责为超表面提供入射光源；在垂直腔面发射激光器vcsel背出光面直接制备幅度相位联合调制超表面的纳米结构，用于对垂直腔面发射激光器vcsel出射激光进行调控，能够在多个平面实现全息成像。其中，幅度相位联合调制编码超表面由矩形纳米柱阵列组成，通过直接在vcsel的gaas衬底上刻蚀制备完成；垂直腔面发射激光器vcsel结构包括：n型电极、gaas衬底、下dbr反射镜、量子阱有源层、氧化孔、上dbr反射镜、p型电极和苯并环丁烯bcb。因此，所设计幅度相位联合调制编码超表面垂直腔面发射激光器的结构从上至下依次堆叠有：幅相超表面结构层、n型电极、gaas衬底、下dbr反射镜、量子阱有源层、氧化孔、上dbr反射镜、p型电极和苯并环丁烯bcb。
4、进一步地，所述下dbr反射镜为8对，上dbr反射镜为5对。
5、进一步地，所述的垂直腔面发射激光器vcsel中氧化孔直径大小为3um。
6、进一步地，所述的垂直腔面发射激光器vcsel中gaas衬底厚度为63um，介电常数为13.18。
7、进一步地，所述的垂直腔面发射激光器vcsel中施加在n型电极与p型电极之间的电流在1-4ma范围内。
8、进一步地，所述的幅度相位联合调制超表面的纳米结构由285×285个单元组成，超表面口径面积为90×90um。
9、进一步地，所述的幅度相位联合调制超表面的纳米结构为矩形柱，矩形柱的排列周期为315nm，矩形柱长度为255nm，宽度变化范围为：82-140nm，旋转角度α变化范围为-45°到+45°。矩形柱的高度为700nm。
10、进一步地，所述的幅相超表面中超表面单元结构采用负性电子光束刻胶(hsq)曝光工艺制备。
11、所述幅相超表面中的矩形柱，改变矩形柱长边与水平线夹角，透射激光的幅度被有效调制；改变矩形柱宽度，透射激光相位被有效调制，且幅度相位调制相互独立。
12、所述的幅相超表面的幅度和相位设计标准为：
13、
14、式中：n为超表面激光器需要成现的全息图个数，an为超表面上第n个全息图像所需要的幅度与相位响应，zd为全息图像焦距，zdn为第n个全息图像焦距，xi,yi为超表面口径面单元坐标，xo,yo为全息图像面图像坐标，λ为光源波长，代表卷积运算。h(xi,yi)为自定义传递函数，表达式如下所示：
15、
16、所述的超表面所需的幅度和相位设计标准可映射到超表面矩形柱的旋转角度α与宽度大小b；依照设计标准所得到的旋转角度与宽度尺寸，可以确定285×285单元的具体几何尺寸，从而进行幅相超表面制备。
17、与现有技术相比较，本发明提出一种幅度相位联合调制编码超表面垂直腔面发射激光器，在vcsel背出光面直接制备幅相超表面纳米结构，当vcsel出射973nm波长的激光时，超表面单元能够对透射激光的幅度和相位响应进行独立调控，将所设计幅度和相位与超表面矩形单元的旋转角度和几何尺寸相对应，按照设计标准制备超表面，能够在vcsel出射空间实现多平面的全息成像，完成超表面与激光器的集成化设计，具体设计步骤如下：
18、1:给出所要呈现的多平面目标全系图像，包含图像焦距等信息。根据上述公式(1)，可计算出超表面上所需的相位和幅度响应分布。
19、2:根据步骤1中计算出的相位和幅度分布值，将幅相分布与纳米柱的旋转角度α与宽度大小b做映射，从而实现透射激光幅度和相位的联合调制。其中，相位分布由纳米柱宽度b决定，幅度分布由纳米柱旋转角α决定。由此，可以完成幅相分布与超表面矩形纳米柱几何尺寸的映射。
20、3:根据步骤2中所得矩形纳米柱阵列的几何参数，制作版图文件，在vcsel背出光面的gaas衬底上刻蚀纳米柱阵列，得到用于实现多平面全息成像的幅相超表面阵列，完成幅相超表面激光器的制备。最后，在p型和n型电极上注入电流，即可在空间中完成多平面全息成像。
21、幅相超表面激光器以芯片化的形式呈现，既具有微小体积、易于集成的优势，又能完成高质量复杂激光功能的调控，拓展了此类激光器芯片在三维传感、激光通信和人脸识别等领域的应用。
1.一种幅度相位联合调制编码超表面垂直腔面发射激光器，其特征在于，由垂直腔面发射激光器vcsel和幅度相位联合调制超表面两部分构成；
2.根据权利要求1所述的一种幅度相位联合调制编码超表面垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述下dbr反射镜为8对，上dbr反射镜为5对。
3.根据权利要求1所述的一种幅度相位联合调制编码超表面垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述的垂直腔面发射激光器vcsel中氧化孔直径大小为3um。
4.根据权利要求1所述的一种幅度相位联合调制编码超表面垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述的垂直腔面发射激光器vcsel中gaas衬底厚度为63um，介电常数为13.18。
5.根据权利要求1所述的一种幅度相位联合调制编码超表面垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述的垂直腔面发射激光器vcsel中施加在n型电极与p型电极之间的电流在1-4ma范围内。
6.根据权利要求1所述的一种幅度相位联合调制编码超表面垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述的幅度相位联合调制超表面的纳米结构由285×285个单元组成，超表面口径面积为90×90um。
7.根据权利要求1所述的一种幅度相位联合调制编码超表面垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述的幅度相位联合调制超表面的纳米结构为矩形柱，矩形柱的排列周期为315nm，矩形柱长度为255nm，宽度变化范围为：82-140nm，旋转角度α变化范围为-45°到+45°；矩形柱的高度为700nm。
8.根据权利要求1所述的一种幅度相位联合调制编码超表面垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述的幅相超表面中超表面单元结构采用负性电子光束刻胶hsq曝光工艺制备；
9.根据权利要求1所述的一种幅度相位联合调制编码超表面垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述的幅相超表面的幅度和相位设计标准为：
10.根据权利要求9所述的一种幅度相位联合调制编码超表面垂直腔面发射激光器，其特征在于，在vcsel背出光面直接制备幅相超表面纳米结构，当vcsel出射973nm波长的激光时，超表面单元能够对透射激光的幅度和相位响应进行独立调控，将所设计幅度和相位与超表面矩形单元的旋转角度和几何尺寸相对应，按照设计标准制备超表面，能够在vcsel出射空间实现多平面的全息成像，完成超表面与激光器的集成化设计，具体设计步骤如下：
