在激光芯片上3D打印微透镜可用于小型光谱仪

环境和健康科学用户以及工业对便携式气体传感器的需求不断增长。谐振光学传感器，特别是平面微谐振器，具有高灵敏度和小尺寸等特点，使其成为这些应用的最佳备选。

这些导波传感器的传感原理是基于在目标分子存在时其光谱响应的变化。用于探测这种光谱位移的激光源应该发射单模和偏振稳定的光束，并且应该在至少几纳米的范围内进行光谱可调。 法国图卢兹大学(University of Toulouse)的一组研究人员旨在利用近红外单模激光二极管源，即垂直腔面发射激光器(VCSEL)，制造出这样一个紧凑的氨气体检测光学微系统。

气体传感微系统的示意图 这种半导体激光二极管非常紧凑，只需调整工作电流就可以在几纳米范围内进行光谱调谐。此外，在他们的工作中使用的特定VCSEL芯片包括在其表面蚀刻的光栅浮雕，以确保发射光束的良好偏振稳定性。然而，尽管它比LED或标准的边缘发射激光二极管小，但这种VCSEL芯片的光束发散对于光学微系统中的大多数实际应用来说太大了。

在本研究中，目标工作距离(2mm)处的光斑尺寸确实大于250μm。它应减小到小于100μm，以确保与检测区域的最佳耦合。不幸的是，具有较低散度的偏振稳定单模VCSEL芯片尚未商业化。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经安装在印刷电路板上的小型VCSEL芯片(200x200x150μm3)上。

在这项发表在《光学微系统杂志》上的研究中，研究人员证明，双光子聚合3D打印技术可以在一个步骤中制造出这样一个微透镜，而写入时间仅为5分钟。为此，他们优化了透镜的设计和制造条件，以获得足够的表面质量和合适的焦距。

(a) VCSEL芯片上的双光子聚合3D打印原理。(b) 安装在PCB上的透镜VCSEL芯片。

激光芯片的光束发散度可以从14.4°减小到3°，相当于2mm距离处的光束光斑尺寸仅为55μm。他们还从实验和理论上研究了添加透镜对器件光谱特性的影响，并提出了一种新的设计来避免调谐范围的缩小。

(a)  镜头设计。(b) 使用ZEMAX（高斯光束传播）计算的光束辐照度的空间分布，对于不带透镜（上）和带透镜（下）的对比，距离为2毫米处的光斑。 该团队的工作证明了双光子聚合3D打印作为一种快速准确的VCSEL后安装准直技术的途径，并为开发可直接集成在便携式光学传感系统中的优化激光芯片铺平了道路。 





审核编辑：刘清