La stampa 3D a polimerizzazione a due fotoni per la fabbricazione rapida di una lente polimerica su un chip laser per spettroscopia miniaturizzata

Stampa 3D diretta di microlenti su chip VCSEL stabile alla polarizzazione monomodale per spettroscopia ottica miniaturizzata

Fabbricazione rapida di una lente polimerica su un chip laser per spettroscopia miniaturizzata
La stampa 3D a polimerizzazione a due fotoni viene sfruttata con successo per ridurre la divergenza di un diodo laser verticale da integrare in un sensore di gas ottico compatto

C’è una crescente domanda di sensori di gas portatili, sia da parte delle scienze ambientali e sanitarie che dell’industria. I sensori ottici risonanti, in particolare i microrisonatori planari, combinano un’elevata sensibilità e un ingombro ridotto, il che li rende buoni candidati per queste applicazioni. Il principio di rilevamento di questi sensori ad onda guidata si basa su una variazione della loro risposta spettrale in presenza delle molecole bersaglio. La sorgente laser da utilizzare per sondare tali spostamenti spettrali dovrebbe emettere un raggio monomodale e stabile alla polarizzazione e dovrebbe essere sintonizzabile spettralmente su almeno alcuni nanometri.

Un team di ricercatori con sede presso l’Università di Tolosa in Francia mirava a fabbricare un microsistema ottico così compatto per il rilevamento di gas di ammoniaca utilizzando una sorgente di diodo laser monomodale vicino all’infrarosso, vale a dire un laser a emissione superficiale di cavità verticale, o VCSEL. Questo tipo di diodo laser a semiconduttore è molto compatto e può essere regolato spettralmente su pochi nanometri semplicemente regolando la corrente operativa. Inoltre, lo specifico chip VCSEL utilizzato nel loro lavoro include un reticolo in rilievo inciso sulla sua superficie che garantisce una buona stabilità di polarizzazione del raggio emesso. Tuttavia, sebbene sia inferiore a quella di un LED o di un diodo laser a emissione di bordo standard, la divergenza del raggio di questo chip VCSEL è troppo grande per la maggior parte degli usi pratici nei microsistemi ottici. In questa ricerca, la dimensione dello spot alla distanza di lavoro mirata (2 mm) è infatti maggiore di 250 µm. Dovrebbe essere ridotto a meno di 100 µm per garantire un accoppiamento ottimale con l’area di rilevamento. Sfortunatamente, i chip VCSEL monomodali stabili alla polarizzazione con una divergenza ridotta non sono ancora disponibili in commercio. La sfida sta quindi nel trovare un metodo accurato per integrare direttamente una microlente di collimazione su un chip VCSEL di piccole dimensioni (200x200x150 µm3 ) che è già montato su un circuito stampato.

In questo lavoro, pubblicato sul Journal of Optical Microsystems , i ricercatori dimostrano che la stampa 3D con polimerizzazione a 2 fotoni può essere sfruttata per fabbricare una tale microlente in un unico passaggio e con un tempo di scrittura di soli 5 minuti. A tal fine, hanno ottimizzato il design dell’obiettivo e le condizioni di fabbricazione per ottenere una qualità della superficie sufficiente e una lunghezza focale adeguata. La divergenza del raggio del chip laser potrebbe essere ridotta da 14,4° a 3°, corrispondente a una dimensione dello spot del raggio a una distanza di 2 mm di soli 55µm. Hanno anche studiato sperimentalmente e teoricamente gli effetti dell’aggiunta di lenti sulle proprietà spettrali del dispositivo e hanno proposto un nuovo design per evitare una riduzione della gamma di sintonizzazione.

Il lavoro del team dimostra l’interesse della stampa 3D a polimerizzazione a 2 fotoni come tecnica rapida e accurata per la collimazione VCSEL in una fase post-montaggio e apre la strada allo sviluppo di chip laser ottimizzati direttamente integrabili nei sistemi di rilevamento ottico portatili.