Fabbricazione rapida di una lente polimerica su un chip laser per la spettroscopia miniaturizzata

14 luglio 2023

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di SPIE

Esiste una crescente domanda di sensori di gas portatili, sia da parte degli utenti delle scienze ambientali e sanitarie, sia dell'industria. I sensori ottici risonanti, in particolare i microrisonatori planari, combinano elevata sensibilità e ingombro ridotto, il che li rende buoni candidati per queste applicazioni.

Il principio di rilevamento di questi sensori ad onde guidate si basa su una variazione della loro risposta spettrale in presenza delle molecole target. 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 pochi nanometri.

Un team di ricercatori dell'Università di Tolosa in Francia mirava a fabbricare un microsistema ottico così compatto per il rilevamento del gas di ammoniaca utilizzando una sorgente di diodi laser monomodali nel vicino infrarosso, vale a dire un laser a emissione superficiale a cavità verticale, o VCSEL.

Questo tipo di diodo laser a semiconduttore è molto compatto e può essere sintonizzato spettralmente su pochi nanometri semplicemente regolando la corrente operativa. Inoltre, lo specifico chip VCSEL utilizzato nel loro lavoro include un reticolo inciso sulla sua superficie che garantisce una buona stabilità di polarizzazione del raggio emesso. Tuttavia, sebbene sia più piccola di quella di un LED o di un diodo laser a emissione di bordi 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 prevista (2 mm) è infatti maggiore di 250 µm. Dovrebbe essere ridotto a meno di 100μm 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) 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 tale microlente in un unico passaggio e con un tempo di scrittura di soli 5 minuti. A questo scopo, hanno ottimizzato la progettazione della lente e le condizioni di fabbricazione per ottenere una qualità superficiale sufficiente e una lunghezza focale adeguata.

La divergenza del raggio del chip laser può essere ridotta da 14,4° a 3°, corrispondente ad una dimensione dello spot del raggio a una distanza di 2 mm di soli 55 µm. Hanno inoltre 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 dell'intervallo di sintonizzazione.

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

Maggiori informazioni: Qingyue Li et al, Stampa 3D diretta di microlenti su chip VCSEL stabile alla polarizzazione monomodale per spettroscopia ottica miniaturizzata, Journal of Optical Microsystems (2023). DOI: 10.1117/1.JOM.3.3.033501

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