環境和健康科學以及工業界對便攜式氣體傳感器的需求日益增長。諧振式光學傳感器，特別是平面微諧振器，集高靈敏度和小尺寸于一身，是這些應用的理想選擇。這些導波傳感器的傳感原理是基于目標分子存在時的光譜響應變化。用于探測這種光譜變化的激光源應發出單模和偏振穩定的光束，并且至少在幾納米范圍內光譜可調諧。

法國圖盧茲大學（University of Toulouse）的一個研究小組利用一種近紅外單模激光二極管源，即垂直腔面發射激光器（VCSEL），旨在制造一種用于氨氣檢測的緊湊型光學微系統。這種VCSEL結構非常緊湊，只需調節工作電流就可在幾納米范圍內進行光譜調諧。此外，他們工作中使用的特定VCSEL芯片表面蝕刻有光柵浮雕，可確保發射光束具有良好的偏振穩定性。然而，這種VCSEL芯片的光束發散角仍較大，不適合光學微系統中的大多數實際用途。在這項研究中，目標工作距離（2 mm）下的光斑尺寸大于250 μm，應將其減小到100 μm以下，以確保與檢測區域的最佳耦合。遺憾的是，具有較小發散角的偏振穩定單模VCSEL芯片尚未商業化。因此，存在的挑戰在于找到一種精確的方法，將準直微透鏡直接集成到已安裝在印刷電路板上的小尺寸VCSEL芯片（200 x 200 x 150 μm3）上。

圖1 基于低成本聚合物微諧振器并使用VCSEL作為探測源的氣體傳感微系統的示意圖

在這項以“Direct 3D-printing of microlens on single mode polarization-stable VCSEL chip for miniaturized optical spectroscopy”為題發表在Journal of Optical Microsystems期刊上的工作中，研究人員證明，利用雙光子聚合3D打印技術，只需一個步驟即可制造這種微透鏡，并且寫入時間僅為5分鐘。為此，他們優化了透鏡設計和制造條件，以獲得足夠的表面質量和合適的焦距。激光芯片的光束發散角可從14.4°減小到3°，相當于2 mm距離上的光斑尺寸僅為55 μm。他們還從實驗和理論上研究了透鏡添加對器件光譜特性的影響，并提出了一種新的設計方案，以避免調諧范圍的縮小。

圖2 在VCSEL芯片上進行雙光子聚合3D打印的原理

該團隊的工作表明，雙光子聚合3D打印技術是一種快速、精確的VCSEL后安裝準直技術，為開發可直接集成到便攜式光學傳感系統中的優化激光芯片鋪平了道路。

審核編輯：湯梓紅