小型分光法用のレーザーチップ上にポリマーレンズを迅速に作製

2023 年 7 月 14 日

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アーティスト: SPIE

ポータブルガスセンサーに対する需要は、環境科学や健康科学のユーザーだけでなく産業界からも高まっています。 共振光センサー、特に平面型マイクロ共振器は、高感度と小さな設置面積を兼ね備えているため、これらの用途に適しています。

これらの導波センサーの感知原理は、ターゲット分子の存在下でのスペクトル応答の変化に基づいています。 このようなスペクトルシフトの調査に使用されるレーザー源は、シングルモードで偏光が安定したビームを放射し、少なくとも数ナノメートルにわたってスペクトル調整可能である必要があります。

フランスのトゥールーズ大学を拠点とする研究者チームは、近赤外シングルモードレーザーダイオード光源、つまり垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）を使用して、アンモニアガス検出用のこのようなコンパクトな光学マイクロシステムを製造することを目的としていました。

この種の半導体レーザー ダイオードは非常にコンパクトで、動作電流を調整するだけで数ナノメートルにわたってスペクトルを調整できます。 さらに、彼らの研究で使用される特定の VCSEL チップには、放射ビームの良好な偏光安定性を保証する、表面にエッチングされた格子レリーフが含まれています。 ただし、LED や標準的な端面発光レーザー ダイオードよりも小さいとはいえ、この VCSEL チップのビーム発散は光学マイクロシステムでのほとんどの実用には大きすぎます。

この研究では、目標作動距離 (2 mm) でのスポット サイズは実際に 250µm より大きくなっています。 検出領域との最適な結合を確保するには、100µm 未満に小さくする必要があります。 残念ながら、発散が低減された偏光安定シングルモード VCSEL チップはまだ市販されていません。 したがって、プリント基板にすでに実装されている小型の VCSEL チップ (200x200x150 µm3) にコリメーション マイクロレンズを直接統合する正確な方法を見つけることが課題となります。

Journal of Optical Microsystems に掲載されたこの研究では、研究者らは 2 光子重合 3D プリンティングを利用して、このようなマイクロレンズを 1 ステップでわずか 5 分の書き込み時間で製造できることを実証しています。 この目的のために、十分な表面品質と適切な焦点距離を得るためにレンズ設計と製造条件を最適化しました。

レーザーチップのビーム発散は 14.4°から 3°に減少でき、これは 2 mm の距離でのビームスポットサイズがわずか 55μm に相当します。 彼らはまた、レンズの追加がデバイスのスペクトル特性に及ぼす影響を実験的および理論的に研究し、同調範囲の縮小を避けるための新しい設計を提案しました。

チームの研究は、実装後の段階での VCSEL コリメーションのための高速かつ正確な技術としての 2 光子重合 3D プリンティングの興味深いことを実証し、ポータブル光学センシング システムに直接統合可能な最適化されたレーザー チップの開発への道を開くものです。 。

詳しくは： Qingyue Li 他、小型光学分光法のためのシングルモード偏光安定 VCSEL チップ上のマイクロレンズの直接 3D プリンティング、Journal of Optical Microsystems (2023)。 DOI: 10.1117/1.JOM.3.3.033501

SPIE提供