来源：长三角G60激光联盟
法国图卢兹大学、法国国家科学研究院、意大利都灵理工学院、比利时布鲁塞尔自由大学一组研究人员利用近红外单模激光二极管源，即垂直腔面发射激光器（VCSEL），制造了用于氨气检测的紧凑型光学微系统。相关研究成果以“Direct 3D-printing of microlens on single mode polarization-stable VCSEL chip for miniaturized optical spectroscopy”为题发表在《Journal of Optical Microsystems》上。
环境和健康科学以及工业界对便携式气体传感器的需求日益增长。谐振光学传感器，尤其是平面微谐振器，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基于目标分子存在时的光谱响应变化。用于探测光谱位移的激光源应发出单模和偏振稳定的光束，并且至少在几个纳米范围内具有光谱可调谐性。这种半导体激光二极管非常紧凑，只需调节研究电流，就能在几纳米范围内进行光谱调谐。此外，他们研究中使用的特定 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。不过，虽然它比发光二极管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的大多数实际用途。
在这项研究中，双光子聚合3D激光打印技术被用于集成在单模偏振稳定垂直腔表面发射激光器(VCSEL)表面的微透镜，作为电流驱动的可调谐源，可用于紧凑型光导波气体传感器。研究表明，5分钟的写入时间足以制造一个微透镜，有效地降低了VCSEL光束的发散，而不会显著改变其发射功率或偏振稳定性。增加的透镜减少了高注入电流下的光谱可用范围。利用增益特性的二维光学模型来解释这种影响，并提出了一种新的横向设计来避免这一问题。
图1: 基于低成本聚合物微谐振器并使用垂直激光二极管 (VCSEL) 作为探测源的气体传感微系统示意图。
利用商用单模偏振稳定VCSEL芯片的优良性能，选择其作为探测源。从扫描电子显微镜(SEM)图像中可以看到图2(b)，在器件表面中心直径4.6μm的区域上蚀刻了一个150 nm周期的一维(1D)浅光栅。由于这种光学设计，激光发射在一个稳定的线偏振状态。此外，当施加电流高达9 mA时，观察到超过10 dB的侧模抑制比(SMSR)(见图3)。因此，可以连续调谐激光峰值，在~ 7nm的光谱范围内无模式跳变。
图2:(a)安装并连接在PCB上的SM-PS VCSEL芯片的SEM视图。(b)发射面变焦，其上刻蚀浅1D光栅用于偏振控制。
图 3：测量 VCSEL 芯片的发射光谱与外加电流的函数关系。单模发射可调至 7 纳米以上，且无跳模现象。
三维打印按需制造芯片——双光子聚合激光直写
近年来，增材制造(3D打印)已被证明是传统平面制造技术的可行替代方案，在光子学、生物学或芯片实验室等领域都有应用。3D打印确实提供了更多可以实现的形状自由度，实现了新的制造方案。作为一种非集体方法，3D打印非常适合制造单个物体，这通常是在单个VCSEL芯片上创建微透镜时的情况。与其他增材制造技术相比，2PP 3D打印技术以其具有高分辨率(<0.2μm)和高精度(<±0.5%)的自由曲面光学元件在微光学领域受到越来越多的关注。考虑到微光元件制造的精度要求，该技术具有合适的特性，并成功地应用于制造完整的微型可见光光谱仪，以及在单模光纤或LED器件上精密制造微光元件。最近还被用于将VCSEL阵列耦合到多模光纤中进行数据传输实验，并为3D传感系统中使用的VCSEL制造外部准直器。然而，直接制造用于微型化光学光谱的VCSEL芯片尚未有报道。
所采用的2PP激光直写原理如图4所示。光敏材料通过同时吸收两个光子而聚合。当超短脉冲激光聚焦在一个小范围内时，就会发生这种非线性光学过程。该体素的大小与激光光斑、激光功率和材料本身的特性有关。通过扫描整个材料的激光束或用固定的激光光斑移动样品，可以聚合三维结构。
图4:(a) VCSEL芯片(Nanoscribe Gmbh)双光子聚合3D打印原理。安装在PCB上的VCSEL浸入光刻胶中，光刻胶与物镜直接接触。(b) 放大安装在 PCB 上的带透镜VCSEL 芯片。
使用 ZEMAX 光学建模软件设计微型光学元件，该元件由一个圆柱形聚合物基座和一个用于准直 VCSEL 光束的半球形透镜组成（图 5）。
图5:(a)透镜设计。(b)使用ZEMAX(高斯光束传播)计算的2 mm距离处光斑的空间分布对比，参照无透镜（上），有透镜（下）。相应的理论散度从14.4度减小到2.32度(1/e2的全角)。
3D打印优化
研究人员使用了FreeCAD，一个3D CAD软件。最终的设计然后导出为a.STL文件，这是3D打印常用的文件格式。将3D参数化设计导出到STL文件的设置至关重要，研究人员设置是将文件大小和打印质量之间（时间和分辨率之间）的折衷。基座和微透镜的STL文件图示如图6所示。
图 6：(a) 在 VCSEL 芯片上制造的基座+ 透镜系统的 3D CAD设计。(b) 由 22,284 个面和 11,414 个顶点组成的相应 STL 网格。
图7：微透镜的SEM图(a)采用以前的技术(连续软打印三种干胶膜+ DLW+喷墨打印)，(b)使用三种不同的SR (SR = 0.5, 0.3和0.1μm)进行3D打印，扫描速度分别为30,30和50mm/s，曝光功率分别为63%，50%和40%(63%的最大强度:1.547 TW/cm2)。
透镜特性
透镜尺寸采用白光光学轮廓测量法(Bruker Contour GTI和Sensofar的S neox)测量[参见图8(b)中的图像]。三种不同SR的ROC测量结果如图9(a)所示。如图所示，在较低的分辨率下，值的离散度增加。
图8:(a) S neox光学轮廓仪获得的SR为0.3μm的透镜的3D和2D图像。(b)用Mach-Zehnder干涉仪获得用于计算焦距和RMS像差(校准前)的图例。
图 9：(a) ROC 和 (b) 表面粗糙度 Sq（均方根高度）。
VCSEL 芯片准直的应用
图10:安装在PCB上的透镜VCSEL芯片的SEM视图。透镜制造可以在(a)焊线之前或(b)焊线之后进行。
光束发散和发射功率
图11:(a)参考和透镜VCSEL芯片归一化角光束分布对比(实线:实验，虚线:模型)。(b)两个装置测量的光-电流曲线
电流变化下的可用调谐范围
图12:透镜集成后VCSEL芯片的发射光谱随外加电流的变化。SM发射(SMSR>10dB)的调谐范围减小到~ 3nm。
图 13：透镜-VCSEL 结构的压缩指数截面图（无重复）
该团队的研究表明，利用双光子聚合 3D 打印技术，只需一个步骤就能制造出这样的微透镜，而且写入时间仅需 5 分钟。他们优化了透镜设计和制造条件，来获得足够的表面质量和合适的焦距。双光子聚合3D打印技术是一种快速、精确的 VCSEL准直技术，可用于后安装阶段，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。
相关论文链接：
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
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