在激光芯片上快速制造用于微型光谱分析的聚合物透镜
发布时间：2023-07-17 00:00:00.000Z
基于低成本聚合物微谐振器并使用垂直激光二极管（VCSEL）作为探测源的最终气体传感微系统示意图。资料来源：《光学微系统杂志》（2023年）。doi: 10.1117/1.jom.3.3.033501
环境和健康科学用户以及工业界对便携式气体传感器的需求日益增长。谐振式光学传感器，特别是平面微谐振器，集高灵敏度和小尺寸于一身，是这些应用的理想选择。
这些导波传感器的传感原理是基于目标分子存在时的光谱响应变化。用于探测这种光谱变化的激光源应发出单模和偏振稳定的光束，并且至少在几纳米范围内光谱可调。
法国图卢兹大学的一个研究小组利用一种近红外单模激光二极管源，即垂直腔面发射激光器（VCSEL），旨在制造这样一种用于氨气检测的紧凑型光学微系统。
这种半导体激光二极管结构非常紧凑，只需调节工作电流就可在几纳米范围内进行光谱调节。此外，他们工作中使用的特定VCSEL芯片表面蚀刻有光栅浮雕，可确保发射光束具有良好的偏振稳定性。然而，虽然它比LED或标准边缘发射激光二极管小，但这种VCSEL芯片的光束发散太大，无法用于光学微系统中的大多数实际用途。
在这项研究中，目标工作距离（2毫米）下的光斑尺寸确实大于250微米。应将其减小到100µm以下，以确保与检测区域的最佳耦合。遗憾的是，具有较小发散的偏振稳定单模VCSEL芯片尚未在市场上销售。因此，挑战在于找到一种精确的方法，将准直微透镜直接集成到已安装在印刷电路板上的小尺寸VCSEL芯片（200x200x150 µm3）上。
在这项发表在《光学微系统杂志》（Journal of Optical Microsystems）上的工作中，研究人员证明了双光子聚合3D打印技术可用于制造这种微透镜，只需一个步骤，写入时间仅为5分钟。为此，他们优化了透镜设计和制造条件，以获得足够的表面质量和合适的焦距。
激光芯片的光束发散可从14.4°减小到3°，相当于2毫米距离上的光斑尺寸仅为55微米。他们还从实验和理论上研究了透镜添加对器件光谱特性的影响，并提出了一种新的设计方案，以避免调谐范围的缩小。
该团队的工作表明了双光子聚合3-D打印技术作为一种快速准确的VCSEL准直技术在后安装阶段的重要性，并为开发可直接集成到便携式光学传感系统中的优化激光芯片铺平了道路。
参考资料
Qingyue Li et al, Direct 3D-printing of microlens on single mode polarization-stable VCSEL chip for miniaturized optical spectroscopy, Journal of Optical Microsystems (2023). DOI: 10.1117/1.JOM.3.3.033501
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