Fabricação rápida de lentes de polímero em um chip laser para espectroscopia miniaturizada

14 de julho de 2023

Este artigo foi revisado de acordo com o processo editorial e as políticas da Science X. Os editores destacaram os seguintes atributos, garantindo a credibilidade do conteúdo:

verificado

fonte confiável

revisar

da SPIE

Há uma demanda crescente por sensores de gás portáteis, tanto por parte de usuários das ciências ambientais e da saúde, quanto da indústria. Sensores ópticos ressonantes, em particular microrressonadores planares, combinam alta sensibilidade e dimensões reduzidas, o que os torna bons candidatos para essas aplicações.

O princípio de detecção destes sensores de ondas guiadas baseia-se numa variação na sua resposta espectral na presença das moléculas alvo. A fonte de laser a ser usada para sondar tais mudanças espectrais deve emitir um feixe monomodo e estável em termos de polarização e deve ser sintonizável espectralmente em pelo menos alguns nanômetros.

Uma equipe de pesquisadores baseada na Universidade de Toulouse, na França, teve como objetivo fabricar um microssistema óptico compacto para detecção de gás amônia usando uma fonte de diodo laser de modo único infravermelho próximo, ou seja, um laser emissor de superfície de cavidade vertical, ou VCSEL.

Este tipo de diodo laser semicondutor é muito compacto e pode ser ajustado espectralmente em poucos nanômetros simplesmente ajustando a corrente operacional. Além disso, o chip VCSEL específico utilizado em seu trabalho inclui um relevo de grade gravado em sua superfície que garante uma boa estabilidade de polarização do feixe emitido. No entanto, embora seja menor do que um LED ou um diodo laser emissor de borda padrão, a divergência do feixe deste chip VCSEL é muito grande para a maioria dos usos práticos em microssistemas ópticos.

Nesta pesquisa, o tamanho do ponto na distância de trabalho pretendida (2 mm) é de fato maior que 250 µm. Deve ser reduzido para menos de 100 µm para garantir um acoplamento ideal com a área de detecção. Infelizmente, os chips VCSEL monomodo estáveis ​​em termos de polarização e com divergência reduzida ainda não estão disponíveis comercialmente. O desafio reside, portanto, em encontrar um método preciso para integrar diretamente uma microlente de colimação em um chip VCSEL de pequeno porte (200x200x150 µm3) que já está montado em uma placa de circuito impresso.

Neste trabalho, publicado no Journal of Optical Microsystems, os pesquisadores demonstram que a impressão 3D de polimerização de 2 fótons pode ser explorada para fabricar tais microlentes em uma única etapa e com um tempo de escrita de apenas 5 minutos. Para este objetivo, otimizaram o design da lente e as condições de fabricação para obter uma qualidade de superfície suficiente, bem como uma distância focal adequada.

A divergência do feixe do chip laser pode ser reduzida de 14,4° para 3°, correspondendo a um tamanho de ponto de feixe a uma distância de 2 mm de apenas 55 µm. Eles também estudaram experimental e teoricamente os efeitos da adição de lentes nas propriedades espectrais do dispositivo e propuseram um novo design para evitar a redução da faixa de sintonia.

O trabalho da equipe demonstra o interesse da impressão 3-D de polimerização de 2 fótons como uma técnica rápida e precisa para colimação VCSEL em um estágio pós-montagem e abre caminho para o desenvolvimento de chips de laser otimizados diretamente integráveis ​​em sistemas de detecção óptica portáteis .

Mais Informações: Qingyue Li et al, Impressão 3D direta de microlentes em chip VCSEL estável com polarização de modo único para espectroscopia óptica miniaturizada, Journal of Optical Microsystems (2023). DOI: 10.1117/1.JOM.3.3.033501

Fornecido pela SPIE