基于VCSEL和3D打印微透镜的微型光谱仪

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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。谐振式光学传感器，特别是平面微谐振器，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是基于目标分子存在时的光谱响应变化。用于探测这种光谱变化的激光源应发出单模和偏振稳定的光束，并且至少在几纳米范围内光谱可调谐。

法国图卢兹大学（University of Toulouse）的一个研究小组利用一种近红外单模激光二极管源，即垂直腔面发射激光器（VCSEL），旨在制造一种用于氨气检测的紧凑型光学微系统。这种VCSEL结构非常紧凑，只需调节工作电流就可在几纳米范围内进行光谱调谐。此外，他们工作中使用的特定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。然而，这种VCSEL芯片的光束发散角仍较大，不适合光学微系统中的大多数实际用途。在这项研究中，目标工作距离（2 mm）下的光斑尺寸大于250 μm，应将其减小到100 µm以下，以确保与检测区域的最佳耦合。遗憾的是，具有较小发散角的偏振稳定单模VCSEL芯片尚未商业化。因此，存在的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安装在印刷电路板上的小尺寸VCSEL芯片（200 x 200 x 150 µm³）上。

图1 基于低成本聚合物微谐振器并使用VCSEL作为探测源的气体传感微系统的示意图

在这项以“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期刊上的工作中，研究人员证明，利用双光子聚合3D打印技术，只需一个步骤即可制造这种微透镜，并且写入时间仅为5分钟。为此，他们优化了透镜设计和制造条件，以获得足够的表面质量和合适的焦距。激光芯片的光束发散角可从14.4°减小到3°，相当于2 mm距离上的光斑尺寸仅为55 μm。他们还从实验和理论上研究了透镜添加对器件光谱特性的影响，并提出了一种新的设计方案，以避免调谐范围的缩小。

图2 在VCSEL芯片上进行双光子聚合3D打印的原理

该团队的工作表明，双光子聚合3D打印技术是一种快速、精确的VCSEL后安装准直技术，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。

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