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研究生:梁朝琮
研究生(外文):Chao-Cong Liang
論文名稱:繞射光學元件應用於垂直共振腔面射型雷射之設計與製作
論文名稱(外文):Design and Fabrication of Diffraction Optical Element Applied to Vertical-Cavity Surface Emitting Laser
指導教授:梁財春梁財春引用關係
指導教授(外文):Tsair-Chun Liang
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄第一科技大學
系所名稱:光電工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:79
中文關鍵詞:繞射光學元件垂直共振腔共面射型雷射菲涅耳透鏡
外文關鍵詞:diffractive optical elementsvertical-cavity surface emitting laserFresnel
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本論文主要的研究目的在提出一個繞射光學元件(Diffractive Optical Elements, DOE)新的應用策略,開發一個新的技術,以半導體製程技術的方式,結合垂直共振腔共面射型雷射 (Vertical-Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL) 與繞射光學元件,使其成為單一光電半導體元件。為了讓 DOE 的表面輪廓結合於 VCSEL 的結構,可利用半導體製程技術將 DOE 的表面輪廓覆蓋在 VCSEL 的 P-DBR 層上方,即成為繞射式垂直共振腔面射型雷射 (DOE VCSEL),使得原本單純的一束光,進而將光束聚光,縮小其發散角。
本論文採用純量繞射原理、達曼光柵與菲涅耳透鏡的設計概念,來設計 DOE的表面輪廓。經計算後,確定元件大小為 488μm x 488μm,將其 DOE 輪廓二階化,接著以半導體製程技術的方式製作所設計之繞射光學元件。最後進行光學特性實驗量測,得到發散角度縮小8度,故本論文所設計與製作的繞射光學元件結構可達到聚光的效果。
In this thesis, a new application strategy of diffractive optical elements (DOE) has been proposed. The research combined vertical-cavity surface emitting laser (VCSEL) with diffractive optical elements into a single opto-electric semiconductor device. In order to DOE VCSEL, DOE surface profile can be integrated upon P-DBR layer of VCSEL structure utilizing semiconductor processing, simply makes the original beam, the beam concentration and then to narrow the divergence angle.
In this study, we used scalar diffractive theory, Dammann grating and Fresnel lens concept to design DOE surface profile. After much calculation by second-order of DOE surface profile, we determined the element size of 488μm x 488 μm. Then we fabricated the DOE by semiconductor technique. Finally, we set up a optical system to test. It is shown that the divergence angle of 8 degrees can be reduced. So, the design and fabricate of diffractive optical elements structure can achieve the effect of concentration.
摘要.............................................i
Abstract ........................................ii
誌謝.............................................iv
目錄.............................................v
圖目錄...........................................viii
表目錄...........................................xi
第一章 緒論......................................1
1.1 研究背景.....................................1
1.2 研究動機與研究的.............................3
1.3 論文架構.....................................6
第二章 繞射光學元件原理介紹......................8
2.1 繞射光學基本理論.............................8
2.1.1 純量繞射理論...............................9
2.1.2 向量繞射理論...............................12
2.1.3 純量繞射理論和向量繞射理論之比較...........14
2.2 相位傅氏光柵.................................15
2.2.1 原始光柵設計原理...........................16
2.2.2 二位元相位傅氏光柵.........................17
2.2.3 多重相位傅氏光柵...........................21
第三章 繞射光學元件設計..........................23
3.1 設計概念.....................................23
3.2 設計步驟.....................................26
3.2.1 光柵週期計算...............................27
3.2.2 光柵厚度計算...............................28
3.2.3 光柵外型輪廓計算...........................30
3.2.4 光柵階層化.................................31
第四章 繞射光學元件製作..........................35
4.1 光罩設計.....................................35
4.2 製程儀器介紹.................................38
4.2.1 電漿輔助化學氣相沉積 (PECVD)...............38
4.2.2 電子束蒸鍍機 (E-Beam)......................39
4.3 材料特性介紹.................................40
4.3.1 正負光阻特性...............................40
4.3.2 電流擴散層.................................41
4.4 繞射光學元件製程.............................42
4.1.1 製程流程...................................42
4.2.2 隔離道與TCL之製作..........................44
4.2.3 繞射光學元件輪廓之製作.....................47
4.2.4 電極製作...................................51
第五章 繞射光學元件量測..........................53
5.1 表面輪廓之量測...............................53
5.2 光學特性之量測...............................55
5.2.1 光強度與電流(L-I)之量測....................55
5.2.2 近場投影之量測.............................58
5.2.3 發散角度之量測.............................60
5.3 實驗誤差分析.................................61
第六章 總結與展望................................63
參考文獻.........................................64
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