たった5分で完了します！レーザーチップ上の小型分光計用マイクロレンズを3Dプリント

出典: 揚子江デルタG60レーザーアライアンス

フランスのトゥールーズ大学、フランス国立科学研究センター、イタリアのトリノ工科大学、ベルギーのブリュッセル自由大学の研究者チームは、近赤外シングルモードレーザーダイオード光源、すなわち垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）を使用して、アンモニア検出用のコンパクトな光学マイクロシステムを開発しました。関連する研究結果は、「小型光分光法のためのシングルモード偏光安定VCSELチップ上へのマイクロレンズの直接3Dプリント」というタイトルでJournal of Optical Microsystemsに掲載されました。

環境科学や健康科学、産業分野ではポータブルガスセンサーの需要が高まっています。共振光センサー、特に平面マイクロ共振器は、高感度と小型サイズを兼ね備えているため、これらのアプリケーションに最適です。これらのガイド波センサーの検知原理は、ターゲット分子が存在する場合のスペクトル応答の変化に基づいています。スペクトルシフトを検出するために使用されるレーザー光源は、シングルモードおよび偏光安定化ビームを放射し、少なくとも数ナノメートルにわたってスペクトルを調整できる必要があります。この半導体レーザーダイオードは非常にコンパクトなので、研究電流を調整するだけで、そのスペクトルを数ナノメートルの範囲で調整できます。さらに、研究で使用された特定の VCSEL チップには、表面に格子レリーフがエッチングされており、これにより放射ビームの良好な偏光安定性が確保されます。しかし、発光ダイオードや標準的なエッジ発光レーザーダイオードよりも小さいものの、この VCSEL チップのビーム発散は大きすぎるため、光学マイクロシステムのほとんどの実用的な目的に使用することはできません。

この研究では、2光子重合3Dレーザー印刷技術を使用して、小型光導波路ガスセンサー用の電流駆動型可変光源として、シングルモード偏光安定化垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）の表面にマイクロレンズを統合しました。研究では、5 分の書き込み時間で、放射パワーや偏光安定性を大幅に変更することなく、VCSEL ビームの発散を効果的に低減するマイクロレンズを作成するのに十分であることが示されました。追加されたレンズにより、高注入電流でのスペクトル使用可能範囲が狭まります。この効果を説明するために、ゲイン特性の 2 次元光学モデルが使用され、この問題を回避するための新しい横方向の設計が提案されています。

図 1: 低コストのポリマーマイクロ共振器をベースにし、垂直レーザーダイオード (VCSEL) を検出源として使用するガス検知マイクロシステムの概略図。
市販のシングルモード偏光安定化 VCSEL チップの優れた性能を活かして、これを検出源として選択しました。走査型電子顕微鏡（SEM）画像から、図2（b）に示すように、デバイス表面の中央直径4.6μmの領域に、周期150nmの1次元（1D）浅い格子がエッチングされていることがわかります。この光学設計により、レーザー放射は安定した直線偏光状態になります。さらに、印加電流が 9 mA と高くなったときに、10 dB を超えるサイドモード抑制比 (SMSR) が観測されました (図 3 を参照)。したがって、レーザーピークは、約 7 nm のスペクトル範囲にわたってモードホッピングなしで連続的に調整できます。

図 2: (a) PCB にマウントされ接続された SM-PS VCSEL チップの SEM 画像。 (b) 発光面を拡大し、偏光制御のために浅い 1D 格子をエッチングします。

図 3: 印加電流の関数として測定された VCSEL チップの発光スペクトル。シングルモード放射は、モードホッピングなしで 7 ナノメートル以上に調整できます。
オンデマンドでチップを製造する 3D プリンティング - 2 光子重合レーザー直接書き込み<br /> 近年、付加製造（3D プリンティング）は、フォトニクス、生物学、ラボオンチップなどの分野での応用により、従来の平面製造技術に代わる実行可能な手段であることが証明されています。 3D プリントは、より実現可能な形状の自由度を提供し、新しい製造シナリオを可能にします。非集合的な方法である 3D プリンティングは、単一の VCSEL チップ上にマイクロレンズを作成する場合など、個別のオブジェクトを製造するのに適しています。他の付加製造技術と比較して、2PP 3D 印刷技術は、高解像度 (<0.2μm) と高精度 (<±0.5%) を備えた自由形状光学部品を実現できるため、マイクロ光学分野でますます注目を集めています。マイクロ光学部品製造の精度要件を考慮すると、この技術は適切な特性を備えており、完全な小型可視光分光計の製造や、シングルモード光ファイバーまたは LED デバイス上のマイクロ光学部品の精密製造にうまく適用されています。また、最近では、データ伝送実験のために VCSEL アレイをマルチモード光ファイバーに結合したり、3D センシングシステムで使用される VCSEL 用の外部コリメータを製造したりするためにも使用されています。しかし、小型光分光法用の VCSEL チップの直接製造はまだ報告されていません。
使用される2PPレーザー直接書き込み原理を図4に示します。感光性材料は、2 つの光子を同時に吸収することによって重合します。この非線形光学プロセスは、超短レーザーパルスが小さな領域に集中したときに発生します。ボクセルのサイズは、レーザースポット、レーザー出力、および材料自体の特性と関連しています。レーザービームを材料全体に走査するか、レーザースポットを固定したままサンプルを移動させることにより、3 次元構造を重合することができます。

図 4: (a) VCSEL チップの 2 光子重合 3D プリントの原理 (Nanoscribe Gmbh)。 PCB に取り付けられた VCSEL はフォトレジストに浸されており、対物レンズと直接接触します。 (b) PCB に取り付けられたレンズ付き VCSEL チップの拡大図。

マイクロ光学素子は、ZEMAX 光学モデリングソフトウェアを使用して設計され、円筒形のポリマーベースと VCSEL ビームをコリメートする半球形レンズで構成されています (図 5)。

図5: (a) レンズ設計。 (b) ZEMAX (ガウスビーム伝搬) を使用して計算された 2 mm の距離での光スポットの空間分布の比較。レンズなし (上) とレンズあり (下) を基準にしています。対応する理論的な発散は 14.4 度から 2.32 度 (全角度の 1/e2) に減少します。

3D プリントの最適化<br /> 研究者らは3D CADソフトウェアであるFreeCADを使用した。最終的なデザインは、3D プリントで一般的に使用されるファイル形式である .STL ファイルとしてエクスポートされました。 3D パラメトリックデザインを STL ファイルにエクスポートするための設定は重要であり、ファイルサイズと印刷品質 (時間と解像度) の間の妥協点となります。ベースとマイクロレンズのSTLファイル図を図6に示します。

図 6: (a) VCSEL チップ上に製造されたサブマウント + レンズシステムの 3D CAD 設計。 (b) 22,284 面と 11,414 頂点で構成される対応する STL メッシュ。

図 7: マイクロレンズの SEM 画像 (a) 従来の技術 (3 つの乾燥接着フィルムの連続ソフト印刷 + DLW + インクジェット印刷) を使用して 3D 印刷したものと、(b) 3 つの異なる SR (SR = 0.5、0.3、0.1 μm) を使用して、スキャン速度 30、30、50 mm/s、露光パワー 63%、50%、40% (63% での最大強度: 1.547 TW/cm2) で 3D 印刷したもの。

レンズの特性<br /> レンズの寸法は、白色光光学形状測定装置（Bruker Contour GTIおよびSensofarのS neox）を使用して測定されました（図8（b）の画像を参照）。 3つの異なるSRのROC測定結果を図9(a)に示します。図に示すように、解像度が低いほど値の分散が大きくなります。

図 8: (a) S neox 光学プロファイラで取得した SR 0.3 μm のレンズの 3D 画像と 2D 画像。 (b) マッハ・ツェンダー干渉計を使用して得られた焦点距離とRMS収差（校正前）の計算の図。
図9: (a) ROCと(b)表面粗さSq（二乗平均平方根高さ）。
VCSELチップアライメントの応用

図 10: PCB に取り付けられたレンズ付き VCSEL チップの SEM 画像。レンズの製造は、(a) ワイヤボンディングの前、または (b) ワイヤボンディングの後に行うことができます。
ビームの発散と放射パワー図 11: (a) 基準 VCSEL チップとレンズ付き VCSEL チップの正規化された角度ビーム分布の比較 (実線: 実験、破線: モデル)。（b）2つのデバイスで測定された光電流曲線の電流変化下での利用可能なチューニング範囲

図 12: レンズ統合後の VCSEL チップの発光スペクトルは、印加電流に応じて変化します。 SM 放射の調整範囲 (SMSR>10dB) は約 3nm に縮小されます。

図13: レンズ-VCSEL構造の圧縮屈折率断面（繰り返しなし）
研究チームの研究によると、このようなマイクロレンズは、2光子重合3Dプリント技術を使用してわずか1ステップで製造でき、書き込み時間はわずか5分です。十分な表面品質と適切な焦点距離を得るために、レンズの設計と製造条件を最適化しました。 2 光子重合 3D プリンティングは、設置後の段階で使用できる高速かつ正確な VCSEL コリメーション技術であり、ポータブル光センシングシステムに直接統合できる最適化されたレーザーチップの開発への道を開きます。

関連論文リンク:
Qingyue Li 他「小型光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 プリント」Journal of Optical Microsystems (2023)。DOI: 10.1117/1.JOM.3.3.033501

https://phys.org/news/2023-07-ra ... mer-lens-laser.html

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