소형 분광학을 위한 레이저 칩에 폴리머 렌즈를 신속하게 제작

2023년 7월 14일

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작성자: SPIE

환경 및 건강 과학 사용자는 물론 업계에서도 휴대용 가스 센서에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 공진 광학 센서, 특히 평면 마이크로 공진기는 높은 감도와 작은 설치 공간을 결합하므로 이러한 응용 분야에 적합한 후보입니다.

이러한 유도파 센서의 감지 원리는 표적 분자가 있을 때의 스펙트럼 반응의 변화를 기반으로 합니다. 이러한 스펙트럼 변화를 조사하는 데 사용되는 레이저 소스는 단일 모드 및 편광 안정성 빔을 방출해야 하며 최소 몇 나노미터에 걸쳐 스펙트럼 조정이 가능해야 합니다.

프랑스 툴루즈 대학교 연구팀은 근적외선 단일 모드 레이저 다이오드 소스, 즉 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)를 사용하여 암모니아 가스 감지를 위한 소형 광학 마이크로시스템을 제작하는 것을 목표로 했습니다.

이러한 종류의 반도체 레이저 다이오드는 매우 콤팩트하며 간단히 작동 전류를 조정함으로써 수 나노미터 이상으로 스펙트럼을 조정할 수 있습니다. 더욱이, 그들의 작업에 사용된 특정 VCSEL 칩에는 방출된 빔의 우수한 편광 안정성을 보장하는 표면에 에칭된 격자 릴리프가 포함되어 있습니다. 그러나 LED나 표준 모서리 방출 레이저 다이오드보다 작지만 이 VCSEL 칩의 빔 발산은 광학 마이크로 시스템에서 대부분의 실제 용도에 비해 너무 큽니다.

이 연구에서 목표된 작동 거리(2mm)에서의 스폿 크기는 실제로 250μm보다 큽니다. 감지 영역과 최적의 결합을 보장하려면 100μm 미만으로 줄여야 합니다. 발산이 감소된 편파 안정 단일 모드 VCSEL 칩은 불행하게도 아직 상용화되지 않았습니다. 따라서 문제는 이미 인쇄 회로 기판에 장착된 소형 VCSEL 칩(200x200x150μm3)에 시준 마이크로렌즈를 직접 통합하는 정확한 방법을 찾는 것입니다.

Journal of Optical Microsystems에 게재된 이 연구에서 연구원들은 2광자 중합 3D 프린팅을 활용하여 단 5분의 작성 시간으로 단일 단계로 이러한 마이크로렌즈를 제작할 수 있음을 보여주었습니다. 이를 위해 그들은 충분한 표면 품질과 적절한 초점 거리를 얻기 위해 렌즈 설계 및 제조 조건을 최적화했습니다.

레이저 칩의 빔 발산은 14.4°에서 3°로 줄어들 수 있으며, 이는 2mm 거리의 ​​빔 스폿 크기가 단 55μm에 해당합니다. 그들은 또한 렌즈 추가가 장치 스펙트럼 특성에 미치는 영향을 실험적, 이론적으로 연구하고 튜닝 범위 감소를 방지하기 위한 새로운 설계를 제안했습니다.

팀의 작업은 장착 후 단계에서 VCSEL 시준을 위한 빠르고 정확한 기술로서 2광자 중합 3D 프린팅의 관심을 입증하고 휴대용 광학 감지 시스템에 직접 통합할 수 있는 최적화된 레이저 칩 개발을 향한 길을 열어줍니다. .

추가 정보: Qingyue Li 외, 소형 광학 분광학을 위한 단일 모드 편광 안정 VCSEL 칩에 마이크로렌즈를 직접 3D 프린팅, Journal of Optical Microsystems(2023). DOI: 10.1117/1.JOM.3.3.033501

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