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(xué)、法國國家科學(xué)研究院、意大利都靈理工學(xué)院、比利時布魯塞爾自由大學(xué)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(xué)微系統(tǒng)。相關(guān)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(xué)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(xué)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(yīng)用的理想選擇。這些導(dǎo)波傳感器的傳感原理基于目標分子存在時的光譜響應(yīng)變化。用于探測光譜位移的激光源應(yīng)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(nèi)具有光譜可調(diào)諧性。這種半導(dǎo)體激光二極管非常緊湊，只需調(diào)節(jié)研究電流，就能在幾納米范圍內(nèi)進行光譜調(diào)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(xué)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(shù)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(qū)動的可調(diào)諧源，可用于緊湊型光導(dǎo)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(xué)模型來解釋這種影響，并提出了一種新的橫向設(shè)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(xué)設(shè)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(cè)模抑制比(SMSR)(見圖3)。因此，可以連續(xù)調(diào)諧激光峰值，在~ 7nm的光譜范圍內(nèi)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(guān)系。單模發(fā)射可調(diào)至 7 納米以上，且無跳模現(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(shù)的可行替代方案，在光子學(xué)、生物學(xué)或芯片實驗室等領(lǐng)域都有應(yīng)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(shù)相比，2PP 3D打印技術(shù)以其具有高分辨率(<0.2μm)和高精度(<±0.5%)的自由曲面光學(xué)元件在微光學(xué)領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注�？紤]到微光元件制造的精度要求，該技術(shù)具有合適的特性，并成功地應(yīng)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(xué)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(nèi)時，就會發(fā)生這種非線性光學(xué)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(guān)。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(jié)構(gòu)。

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(xué)建模軟件設(shè)計微型光學(xué)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(shè)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(yīng)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(shè)計然后導(dǎo)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(shè)計導(dǎo)出到STL文件的設(shè)置至關(guān)重要，研究人員設(shè)置是將文件大小和打印質(zhì)量之間（時間和分辨率之間）的折衷�；�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(shè)計。(b) 由 22,284 個面和 11,414 個頂點組成的相應(yīng) STL 網(wǎng)格。

圖7：微透鏡的SEM圖(a)采用以前的技術(shù)(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(xué)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(jié)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(xué)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(yīng)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(diào)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(diào)諧范圍減小到~ 3nm。

圖 13：透鏡-VCSEL 結(jié)構(gòu)的壓縮指數(shù)截面圖（無重復(fù)）

該團隊的研究表明，利用雙光子聚合 3D 打印技術(shù)，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(shè)計和制造條件，來獲得足夠的表面質(zhì)量和合適的焦距。雙光子聚合3D打印技術(shù)是一種快速、精確的 VCSEL準直技術(shù)，可用于后安裝階段，并為開發(fā)可直接集成到便攜式光學(xué)傳感系統(tǒng)中的優(yōu)化激光芯片鋪平了道路。


相關(guān)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