Il existe une demande croissante de capteurs de gaz portables, tant de la part des utilisateurs des sciences de l’environnement et de la santé que de l’industrie. Les capteurs optiques résonnants, en particulier les micro-résonateurs planaires, combinent une grande sensibilité et un faible encombrement, ce qui en fait de bons candidats pour ces applications.
Le principe de détection de ces capteurs à ondes guidées repose sur une variation de leur réponse spectrale en présence des molécules cibles. La source laser à utiliser pour sonder ces décalages spectraux doit émettre un faisceau monomode et stable en polarisation et être accordable spectralement sur au moins quelques nanomètres.
Une équipe de chercheurs basée à l’Université de Toulouse en France visait à fabriquer un tel microsystème optique compact pour la détection de gaz ammoniac à l’aide d’une source de diode laser monomode dans le proche infrarouge, à savoir un laser à émission de surface à cavité verticale, ou VCSEL.
Ce type de diode laser à semi-conducteur est très compact et peut être accordé spectralement sur quelques nanomètres en ajustant simplement le courant de fonctionnement. De plus, la puce VCSEL spécifique utilisée dans leurs travaux comprend un relief de réseau gravé à sa surface qui assure une bonne stabilité de polarisation du faisceau émis. Cependant, bien qu’elle soit plus petite que pour une LED ou pour une diode laser à émission par le bord standard, la divergence de faisceau de cette puce VCSEL est trop grande pour la plupart des utilisations pratiques dans les microsystèmes optiques.
Dans cette recherche, la taille du spot à la distance de travail visée (2 mm) est en effet supérieure à 250 µm. Elle doit être réduite à moins de 100µm pour assurer un couplage optimal avec la zone de détection. Les puces VCSEL monomode stables en polarisation ayant une divergence réduite ne sont malheureusement pas encore disponibles dans le commerce. Le défi consiste donc à trouver une méthode précise pour intégrer directement une microlentille de collimation sur une puce VCSEL de petite taille (200x200x150 µm3) déjà montée sur un circuit imprimé.
Dans cet ouvrage, publié dans le Journal des microsystèmes optiques, les chercheurs démontrent que l’impression 3D par polymérisation à 2 photons peut être exploitée pour fabriquer une telle microlentille en une seule étape et avec un temps d’écriture de seulement 5 minutes. Pour cela, ils ont optimisé la conception et les conditions de fabrication des lentilles pour obtenir une qualité de surface suffisante ainsi qu’une distance focale adaptée.
La divergence du faisceau de la puce laser a pu être réduite de 14,4° à 3°, correspondant à une taille de spot de faisceau à une distance de 2 mm de seulement 55 µm. Ils ont également étudié expérimentalement et théoriquement les effets de l’ajout de lentilles sur les propriétés spectrales du dispositif et ont proposé une nouvelle conception pour éviter une réduction de la plage d’accord.
Les travaux de l’équipe démontrent l’intérêt de l’impression 3D par polymérisation à 2 photons comme technique rapide et précise de collimation VCSEL à une étape post-montage et ouvrent la voie au développement de puces laser optimisées directement intégrables dans les systèmes de détection optique portables .
Plus d’information:
Qingyue Li et al, Impression 3D directe de microlentilles sur une puce VCSEL monomode à polarisation stable pour la spectroscopie optique miniaturisée, Journal des microsystèmes optiques (2023). DOI : 10.1117/1.JOM.3.3.033501