基于VCSEL和3D打印微透鏡的微型光譜儀

環(huán)境和健康科學(xué)以及工業(yè)界對(duì)便攜式氣體傳感器的需求日益增長(zhǎng)。諧振式光學(xué)傳感器，特別是平面微諧振器，集高靈敏度和小尺寸于一身，是這些應(yīng)用的理想選擇。這些導(dǎo)波傳感器的傳感原理是基于目標(biāo)分子存在時(shí)的光譜響應(yīng)變化。用于探測(cè)這種光譜變化的激光源應(yīng)發(fā)出單模和偏振穩(wěn)定的光束，并且至少在幾納米范圍內(nèi)光譜可調(diào)諧。

法國(guó)圖盧茲大學(xué)（University of Toulouse）的一個(gè)研究小組利用一種近紅外單模激光二極管源，即垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），旨在制造一種用于氨氣檢測(cè)的緊湊型光學(xué)微系統(tǒng)。這種VCSEL結(jié)構(gòu)非常緊湊，只需調(diào)節(jié)工作電流就可在幾納米范圍內(nèi)進(jìn)行光譜調(diào)諧。此外，他們工作中使用的特定VCSEL芯片表面蝕刻有光柵浮雕，可確保發(fā)射光束具有良好的偏振穩(wěn)定性。然而，這種VCSEL芯片的光束發(fā)散角仍較大，不適合光學(xué)微系統(tǒng)中的大多數(shù)實(shí)際用途。在這項(xiàng)研究中，目標(biāo)工作距離（2 mm）下的光斑尺寸大于250 μm，應(yīng)將其減小到100 μm以下，以確保與檢測(cè)區(qū)域的最佳耦合。遺憾的是，具有較小發(fā)散角的偏振穩(wěn)定單模VCSEL芯片尚未商業(yè)化。因此，存在的挑戰(zhàn)在于找到一種精確的方法，將準(zhǔn)直微透鏡直接集成到已安裝在印刷電路板上的小尺寸VCSEL芯片（200 x 200 x 150 μm3）上。

圖1 基于低成本聚合物微諧振器并使用VCSEL作為探測(cè)源的氣體傳感微系統(tǒng)的示意圖

在這項(xiàng)以“Direct 3D-printing of microlens on single mode polarization-stable VCSEL chip for miniaturized optical spectroscopy”為題發(fā)表在Journal of Optical Microsystems期刊上的工作中，研究人員證明，利用雙光子聚合3D打印技術(shù)，只需一個(gè)步驟即可制造這種微透鏡，并且寫(xiě)入時(shí)間僅為5分鐘。為此，他們優(yōu)化了透鏡設(shè)計(jì)和制造條件，以獲得足夠的表面質(zhì)量和合適的焦距。激光芯片的光束發(fā)散角可從14.4°減小到3°，相當(dāng)于2 mm距離上的光斑尺寸僅為55 μm。他們還從實(shí)驗(yàn)和理論上研究了透鏡添加對(duì)器件光譜特性的影響，并提出了一種新的設(shè)計(jì)方案，以避免調(diào)諧范圍的縮小。

圖2 在VCSEL芯片上進(jìn)行雙光子聚合3D打印的原理

該團(tuán)隊(duì)的工作表明，雙光子聚合3D打印技術(shù)是一種快速、精確的VCSEL后安裝準(zhǔn)直技術(shù)，為開(kāi)發(fā)可直接集成到便攜式光學(xué)傳感系統(tǒng)中的優(yōu)化激光芯片鋪平了道路。

審核編輯：湯梓紅