Lenti ultra sottili destinate a rivoluzionare la tecnologia

Sviluppato un metodo innovativo per produrre lenti ottiche sottili di carta utilizzando tecniche di produzione di semiconduttori standard

La manipolazione e il controllo della luce sono essenziali in varie tecnologie contemporanee e, con l'evoluzione di queste tecnologie, aumenta la domanda di componenti ottici miniaturizzati. Le tecnologie delle lenti planari, come le metasuperfici e gli elementi ottici diffrattivi, hanno attirato l'attenzione negli ultimi anni per il loro potenziale di ridurre drasticamente lo spessore dei tradizionali sistemi ottici rifrattivi. Tuttavia, la loro fabbricazione, in particolare per le lunghezze d’onda visibili, comporta processi complessi e costosi, come la litografia ad alta risoluzione e l’incisione a secco, che ne hanno limitato la disponibilità.

Lenti ottiche sottili come la carta, abbastanza semplici da produrre in serie come i microchip, potrebbero consentire una nuova generazione di dispositivi ottici compatti. Un articolo, pubblicato da Light: Science & Applications (1) descrive che un team di ricercatori dell'University of Tokyo e della JSR Corp. ha fabbricato e testato lenti piatte chiamate piastre di zona di Fresnel (FZPs), ma lo ha fatto per la prima volta utilizzando solo comuni apparecchiature di produzione di semiconduttori, lo stepper i-line, per la prima volta. Queste lenti piatte attualmente non hanno l'efficienza delle lenti in produzione, ma hanno il potenziale per rimodellare l'ottica per settori che vanno dall'astronomia all'assistenza sanitaria e all'elettronica di consumo.

Le lenti piatte, come le metalense, esistono, ma hanno prezzi elevati e un alto grado di complessità, e sono disponibili solo in un numero limitato di dispositivi. Nella corsa per aumentare la qualità, le prestazioni e l'efficienza dei dispositivi riducendo al contempo i costi, i produttori, attraverso il lavoro dei ricercatori accademici, cercano alternative. Le FZPs sono diventate un buon candidato per migliorare i dispositivi ottici in cui lo spazio è critico. E per la prima volta, i ricercatori hanno realizzato lenti campione con solo pochi semplici passaggi utilizzando macchinari standard del settore.

«Abbiamo sviluppato un metodo semplice e producibile in serie per le FZPs utilizzando un comune sistema di litografia a semiconduttore, o stepper», ha affermato il professore associato Kuniaki Konishi (2) dell'Institute for Photon Science and Technology. «Ciò è dovuto a uno speciale tipo di fotoresist o maschera chiamato color resist, originariamente progettato per essere utilizzato come filtri colorati. Semplicemente rivestendo, esponendo e sviluppando questo materiale, abbiamo prodotto lenti in grado di focalizzare la luce visibile fino a soli 1,1 micron, circa 100 volte più sottili di un capello umano».

L'attuale svantaggio dei nuovi FZPs è che hanno un'efficienza di raccolta della luce pari solo al 7%, il che significa che producono immagini eccessivamente rumorose. Ma il team sta già lavorando su modi per aumentare questa efficienza di quattro volte, modificando il modo in cui utilizzano i color resist. Tuttavia, ciò richiederebbe un maggiore grado di controllo sulle proprietà fisiche dei color resist rispetto a quanto concesso ai ricercatori al momento di questo studio, sebbene la capacità di farlo esista.

«Oltre a fabbricare in modo efficiente le FZPs, abbiamo anche ideato delle simulazioni che si confermano molto vicine ai nostri esperimenti. Ciò significa che potremmo adattare i progetti per conformarli ad applicazioni specifiche in diversi campi, come la medicina, prima di impegnarci nella produzione», ha affermato il dottor Konishi. «Inoltre, prevediamo anche dei vantaggi ambientali ed economici, poiché a differenza dei metodi di produzione tradizionali, il processo di produzione di ogni FZP elimina la necessità di sostanze chimiche tossiche per l'incisione e riduce significativamente il consumo di energia».

Potrebbe quindi passare un po' di tempo prima che le FZPs ti aiutino a catturare momenti con un'elevata fedeltà visiva con il tuo smartphone ultrasottile, ma questa tecnologia, o quella a essa ispirata, probabilmente arriverà presto.

Riferimenti:

(1) Optical Fresnel zone plate flat lenses made entirely of colored photoresist through an i-line stepper

(2) Kuniaki Konishi

Descrizione foto: Wafer sviluppato. La lente monocolore finale viene sviluppata su una piastra e assomiglia a chip di silicio prima di essere inseriti in circuiti più grandi. - Credit: Konishi et al. CC-BY-ND.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Thin lenses have a bright future A new economical way to create compact lenses brings simplicity and scalability