僅需5分鐘！在激光芯片上3D打印用于微型光譜儀的微透鏡

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

法國圖盧茲大學、法國國家科學研究院、意大利都靈理工學院、比利時布魯塞爾自由大學一組研究人員利用近紅外單模激光二極管源，即垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），制造了用于氨氣檢測的緊湊型光學微系統(tǒng)。相關研究成果以“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》上。

環(huán)境和健康科學以及工業(yè)界對便攜式氣體傳感器的需求日益增長。諧振光學傳感器，尤其是平面微諧振器，集高靈敏度和小尺寸于一身，是這些應用的理想選擇。這些導波傳感器的傳感原理基于目標分子存在時的光譜響應變化。用于探測光譜位移的激光源應發(fā)出單模和偏振穩(wěn)定的光束，并且至少在幾個納米范圍內具有光譜可調諧性。這種半導體激光二極管非常緊湊，只需調節(jié)研究電流，就能在幾納米范圍內進行光譜調諧。此外，他們研究中使用的特定 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。不過，雖然它比發(fā)光二極管或標準邊緣發(fā)射激光二極管小，但這種 VCSEL 芯片的光束發(fā)散太大，無法用于光學微系統(tǒng)的大多數(shù)實際用途。

在這項研究中，雙光子聚合3D激光打印技術被用于集成在單模偏振穩(wěn)定垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)表面的微透鏡，作為電流驅動的可調諧源，可用于緊湊型光導波氣體傳感器。研究表明，5分鐘的寫入時間足以制造一個微透鏡，有效地降低了VCSEL光束的發(fā)散，而不會顯著改變其發(fā)射功率或偏振穩(wěn)定性。增加的透鏡減少了高注入電流下的光譜可用范圍。利用增益特性的二維光學模型來解釋這種影響，并提出了一種新的橫向設計來避免這一問題。

圖1: 基于低成本聚合物微諧振器并使用垂直激光二極管 (VCSEL) 作為探測源的氣體傳感微系統(tǒng)示意圖。

利用商用單模偏振穩(wěn)定VCSEL芯片的優(yōu)良性能，選擇其作為探測源。從掃描電子顯微鏡(SEM)圖像中可以看到圖2(b)，在器件表面中心直徑4.6μm的區(qū)域上蝕刻了一個150 nm周期的一維(1D)淺光柵。由于這種光學設計，激光發(fā)射在一個穩(wěn)定的線偏振狀態(tài)。此外，當施加電流高達9 mA時，觀察到超過10 dB的側模抑制比(SMSR)(見圖3)。因此，可以連續(xù)調諧激光峰值，在~ 7nm的光譜范圍內無模式跳變。

圖2:(a)安裝并連接在PCB上的SM-PS VCSEL芯片的SEM視圖。(b)發(fā)射面變焦，其上刻蝕淺1D光柵用于偏振控制。

圖 3：測量 VCSEL 芯片的發(fā)射光譜與外加電流的函數(shù)關系。單模發(fā)射可調至 7 納米以上，且無跳�，F(xiàn)象。

三維打印按需制造芯片——雙光子聚合激光直寫
近年來，增材制造(3D打印)已被證明是傳統(tǒng)平面制造技術的可行替代方案，在光子學、生物學或芯片實驗室等領域都有應用。3D打印確實提供了更多可以實現(xiàn)的形狀自由度，實現(xiàn)了新的制造方案。作為一種非集體方法，3D打印非常適合制造單個物體，這通常是在單個VCSEL芯片上創(chuàng)建微透鏡時的情況。與其他增材制造技術相比，2PP 3D打印技術以其具有高分辨率(<0.2μm)和高精度(<±0.5%)的自由曲面光學元件在微光學領域受到越來越多的關注�？紤]到微光元件制造的精度要求，該技術具有合適的特性，并成功地應用于制造完整的微型可見光光譜儀，以及在單模光纖或LED器件上精密制造微光元件。最近還被用于將VCSEL陣列耦合到多模光纖中進行數(shù)據(jù)傳輸實驗，并為3D傳感系統(tǒng)中使用的VCSEL制造外部準直器。然而，直接制造用于微型化光學光譜的VCSEL芯片尚未有報道。
所采用的2PP激光直寫原理如圖4所示。光敏材料通過同時吸收兩個光子而聚合。當超短脈沖激光聚焦在一個小范圍內時，就會發(fā)生這種非線性光學過程。該體素的大小與激光光斑、激光功率和材料本身的特性有關。通過掃描整個材料的激光束或用固定的激光光斑移動樣品，可以聚合三維結構。

圖4:(a) VCSEL芯片(Nanoscribe Gmbh)雙光子聚合3D打印原理。安裝在PCB上的VCSEL浸入光刻膠中，光刻膠與物鏡直接接觸。(b) 放大安裝在 PCB 上的帶透鏡VCSEL 芯片。

使用 ZEMAX 光學建模軟件設計微型光學元件，該元件由一個圓柱形聚合物基座和一個用于準直 VCSEL 光束的半球形透鏡組成（圖 5）。

圖5:(a)透鏡設計。(b)使用ZEMAX(高斯光束傳播)計算的2 mm距離處光斑的空間分布對比，參照無透鏡（上），有透鏡（下）。相應的理論散度從14.4度減小到2.32度(1/e2的全角)。

3D打印優(yōu)化
研究人員使用了FreeCAD，一個3D CAD軟件。最終的設計然后導出為a.STL文件，這是3D打印常用的文件格式。將3D參數(shù)化設計導出到STL文件的設置至關重要，研究人員設置是將文件大小和打印質量之間（時間和分辨率之間）的折衷。基座和微透鏡的STL文件圖示如圖6所示。

圖 6：(a) 在 VCSEL 芯片上制造的基座+ 透鏡系統(tǒng)的 3D CAD設計。(b) 由 22,284 個面和 11,414 個頂點組成的相應 STL 網(wǎng)格。

圖7：微透鏡的SEM圖(a)采用以前的技術(連續(xù)軟打印三種干膠膜+ DLW+噴墨打印)，(b)使用三種不同的SR (SR = 0.5, 0.3和0.1μm)進行3D打印，掃描速度分別為30,30和50mm/s，曝光功率分別為63%，50%和40%(63%的最大強度:1.547 TW/cm2)。

透鏡特性
透鏡尺寸采用白光光學輪廓測量法(Bruker Contour GTI和Sensofar的S neox)測量[參見圖8(b)中的圖像]。三種不同SR的ROC測量結果如圖9(a)所示。如圖所示，在較低的分辨率下，值的離散度增加。

圖8:(a) S neox光學輪廓儀獲得的SR為0.3μm的透鏡的3D和2D圖像。(b)用Mach-Zehnder干涉儀獲得用于計算焦距和RMS像差(校準前)的圖例。

圖 9：(a) ROC 和 (b) 表面粗糙度 Sq（均方根高度）。

VCSEL 芯片準直的應用

圖10:安裝在PCB上的透鏡VCSEL芯片的SEM視圖。透鏡制造可以在(a)焊線之前或(b)焊線之后進行。

光束發(fā)散和發(fā)射功率

圖11:(a)參考和透鏡VCSEL芯片歸一化角光束分布對比(實線:實驗，虛線:模型)。(b)兩個裝置測量的光-電流曲線

電流變化下的可用調諧范圍

圖12:透鏡集成后VCSEL芯片的發(fā)射光譜隨外加電流的變化。SM發(fā)射(SMSR>10dB)的調諧范圍減小到~ 3nm。

圖 13：透鏡-VCSEL 結構的壓縮指數(shù)截面圖（無重復）

該團隊的研究表明，利用雙光子聚合 3D 打印技術，只需一個步驟就能制造出這樣的微透鏡，而且寫入時間僅需 5 分鐘。他們優(yōu)化了透鏡設計和制造條件，來獲得足夠的表面質量和合適的焦距。雙光子聚合3D打印技術是一種快速、精確的 VCSEL準直技術，可用于后安裝階段，并為開發(fā)可直接集成到便攜式光學傳感系統(tǒng)中的優(yōu)化激光芯片鋪平了道路。


相關論文鏈接：
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

https://phys.org/news/2023-07-ra ... mer-lens-laser.html