Fabricación rápida de una lente de polímero en un chip láser para espectroscopia miniaturizada

14 de julio de 2023

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por SPIE

Existe una demanda creciente de sensores de gas portátiles, tanto por parte de los usuarios de ciencias ambientales y de la salud como de la industria. Los sensores ópticos resonantes, en particular los microresonadores planos, combinan una alta sensibilidad y un tamaño reducido, lo que los convierte en buenos candidatos para estas aplicaciones.

El principio de detección de estos sensores de ondas guiadas se basa en una variación de su respuesta espectral en presencia de las moléculas objetivo. La fuente láser que se utilizará para sondear tales cambios espectrales debe emitir un haz monomodo y de polarización estable y debe ser espectralmente sintonizable en al menos unos pocos nanómetros.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Toulouse (Francia) se propuso fabricar un microsistema óptico compacto para la detección de gas amoníaco utilizando una fuente de diodo láser monomodo de infrarrojo cercano, es decir, un láser emisor de superficie de cavidad vertical, o VCSEL.

Este tipo de diodo láser semiconductor es muy compacto y puede sintonizarse espectralmente en unos pocos nanómetros simplemente ajustando la corriente de funcionamiento. Además, el chip VCSEL específico utilizado en su trabajo incluye un relieve de rejilla grabado en su superficie que garantiza una buena estabilidad de polarización del haz emitido. Sin embargo, aunque es más pequeña que la de un LED o la de un diodo láser emisor de bordes estándar, la divergencia del haz de este chip VCSEL es demasiado grande para la mayoría de los usos prácticos en microsistemas ópticos.

En esta investigación, el tamaño del punto a la distancia de trabajo objetivo (2 mm) es de hecho mayor que 250 µm. Debe reducirse a menos de 100 µm para garantizar un acoplamiento óptimo con el área de detección. Lamentablemente, los chips VCSEL monomodo estables a la polarización y con una divergencia reducida aún no están disponibles comercialmente. Por lo tanto, el desafío consiste en encontrar un método preciso para integrar directamente una microlente de colimación en un chip VCSEL de pequeño tamaño (200x200x150 µm3) que ya está montado en una placa de circuito impreso.

En este trabajo, publicado en el Journal of Optical Microsystems, los investigadores demuestran que se puede aprovechar la impresión 3D de polimerización de 2 fotones para fabricar una microlente de este tipo en un solo paso y con un tiempo de escritura de sólo 5 minutos. Para ello, optimizaron el diseño de la lente y las condiciones de fabricación para obtener una calidad superficial suficiente así como una distancia focal adecuada.

La divergencia del haz del chip láser se pudo reducir de 14,4° a 3°, lo que corresponde a un tamaño del punto del haz a una distancia de 2 mm de sólo 55 µm. También estudiaron experimental y teóricamente los efectos de la adición de lentes en las propiedades espectrales del dispositivo y propusieron un nuevo diseño para evitar una reducción del rango de sintonización.

El trabajo del equipo demuestra el interés de la impresión 3D con polimerización de 2 fotones como una técnica rápida y precisa para la colimación VCSEL en una etapa posterior al montaje y allana el camino hacia el desarrollo de chips láser optimizados directamente integrables en sistemas de detección óptica portátiles. .

Más información: Qingyue Li et al, Impresión 3D directa de microlentes en un chip VCSEL de polarización estable de modo único para espectroscopia óptica miniaturizada, Journal of Optical Microsystems (2023). DOI: 10.1117/1.JOM.3.3.033501

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