Schnelle Herstellung einer Polymerlinse auf einem Laserchip für miniaturisierte Spektroskopie

14. Juli 2023

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von SPIE

Es besteht eine wachsende Nachfrage nach tragbaren Gassensoren, sowohl von Anwendern aus den Umwelt- und Gesundheitswissenschaften als auch von der Industrie. Resonante optische Sensoren, insbesondere planare Mikroresonatoren, vereinen hohe Empfindlichkeit und geringen Platzbedarf, was sie zu guten Kandidaten für diese Anwendungen macht.

Das Sensorprinzip dieser geführten Wellensensoren basiert auf einer Variation ihrer spektralen Reaktion in Gegenwart der Zielmoleküle. Die zur Untersuchung solcher Spektralverschiebungen zu verwendende Laserquelle sollte einen einmodigen und polarisationsstabilen Strahl aussenden und über mindestens einige Nanometer spektral abstimmbar sein.

Ein Forscherteam der Universität Toulouse in Frankreich hatte sich zum Ziel gesetzt, ein solch kompaktes optisches Mikrosystem zur Ammoniakgasdetektion unter Verwendung einer Nahinfrarot-Einzelmode-Laserdiodenquelle, nämlich eines oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Hohlraum (VCSEL), herzustellen.

Diese Art von Halbleiterlaserdiode ist sehr kompakt und kann durch einfache Anpassung des Betriebsstroms über wenige Nanometer spektral abgestimmt werden. Darüber hinaus verfügt der bei ihrer Arbeit verwendete spezifische VCSEL-Chip über ein in seine Oberfläche eingeätztes Gitterrelief, das eine gute Polarisationsstabilität des emittierten Strahls gewährleistet. Obwohl er kleiner ist als bei einer LED oder einer herkömmlichen kantenemittierenden Laserdiode, ist die Strahldivergenz dieses VCSEL-Chips für die meisten praktischen Anwendungen in optischen Mikrosystemen zu groß.

In dieser Untersuchung ist die Punktgröße bei dem angestrebten Arbeitsabstand (2 mm) tatsächlich größer als 250 µm. Sie sollte auf weniger als 100µm reduziert werden, um eine optimale Kopplung mit dem Detektionsbereich zu gewährleisten. Polarisationsstabile Singlemode-VCSEL-Chips mit reduzierter Divergenz sind leider noch nicht kommerziell erhältlich. Die Herausforderung besteht daher darin, eine genaue Methode zur direkten Integration einer Kollimationsmikrolinse auf einem kleinen VCSEL-Chip (200 x 200 x 150 µm3) zu finden, der bereits auf einer Leiterplatte montiert ist.

In dieser im Journal of Optical Microsystems veröffentlichten Arbeit zeigen die Forscher, dass der 2-Photonen-Polymerisations-3D-Druck genutzt werden kann, um eine solche Mikrolinse in einem einzigen Schritt und mit einer Schreibzeit von nur 5 Minuten herzustellen. Zu diesem Zweck optimierten sie das Linsendesign und die Herstellungsbedingungen, um eine ausreichende Oberflächenqualität sowie eine geeignete Brennweite zu erhalten.

Die Strahldivergenz des Laserchips konnte von 14,4° auf 3° reduziert werden, was einer Strahlfleckgröße im Abstand von 2 mm von nur 55µm entspricht. Sie untersuchten auch experimentell und theoretisch die Auswirkungen des Hinzufügens von Linsen auf die spektralen Eigenschaften des Geräts und schlugen ein neues Design vor, um eine Reduzierung des Abstimmbereichs zu vermeiden.

Die Arbeit des Teams zeigt das Interesse des 2-Photonen-Polymerisations-3D-Drucks als schnelle und genaue Technik für die VCSEL-Kollimation in der Nachmontagephase und ebnet den Weg für die Entwicklung optimierter Laserchips, die direkt in tragbare optische Sensorsysteme integrierbar sind .

Mehr Informationen: Qingyue Li et al., Direkter 3D-Druck von Mikrolinsen auf einem polarisationsstabilen Singlemode-VCSEL-Chip für miniaturisierte optische Spektroskopie, Journal of Optical Microsystems (2023). DOI: 10.1117/1.JOM.3.3.033501

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