I ricercatori hanno sviluppato nuove microlenti stampate in 3D con indici di rifrazione regolabili, una proprietà che conferisce loro capacità di focalizzazione della luce altamente specializzate. Questo progresso è destinato a migliorare l'imaging, informatica e comunicazioni aumentando in modo significativo la capacità di instradamento dei dati di chip per computer e altri sistemi ottici, hanno detto i ricercatori.

Lo studio è stato condotto dai ricercatori Paul Braun e Lynford Goddard dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign ed è il primo a dimostrare la capacità di regolare la direzione in cui la luce si piega e viaggia attraverso una lente con precisione sub-micrometrica.

I risultati dello studio sono pubblicati sulla rivista Luce:scienza e applicazione .

"Avere la capacità di fabbricare ottiche con diverse forme e parametri ottici offre una soluzione ai problemi comuni affrontati nell'ottica, " disse Braun, che è un professore di scienza dei materiali e ingegneria. "Per esempio, nelle applicazioni di imaging, la messa a fuoco su un oggetto specifico spesso si traduce in bordi sfocati. O, nelle applicazioni di trasferimento dati, si desiderano velocità più elevate senza sacrificare lo spazio su un chip del computer. La nostra nuova tecnica di fabbricazione delle lenti risolve questi problemi in un unico dispositivo integrato".

A dimostrazione, il team ha fabbricato tre lenti:una lente piatta; la prima lente Luneburg a luce visibile al mondo, una lente sferica precedentemente impossibile da fabbricare con proprietà di messa a fuoco uniche; e guide d'onda 3D che possono consentire enormi capacità di instradamento dei dati.

"Una lente standard ha un unico indice di rifrazione e quindi solo un percorso che la luce può attraversare attraverso la lente, " disse Goddard, che è un professore di ingegneria elettrica e informatica. "Avendo il controllo sull'indice di rifrazione interno e sulla forma della lente durante la fabbricazione, abbiamo due modi indipendenti per piegare la luce all'interno di una singola lente."

Nel laboratorio, il team utilizza un processo chiamato scrittura laser diretta per creare le lenti. Un laser solidifica polimeri liquidi e forma piccole strutture ottiche geometriche fino a 100 volte più piccole di un capello umano. La scrittura laser diretta è stata utilizzata in passato per creare altre microlenti che avevano un solo indice di rifrazione, hanno detto i ricercatori.

"Abbiamo affrontato i limiti dell'indice di rifrazione stampando all'interno di un materiale di supporto per impalcature nanoporose, " ha detto Braun. "L'impalcatura blocca le micro ottiche stampate in posizione, consentendo la fabbricazione di un sistema 3-D con componenti sospesi."

I ricercatori teorizzano che questo controllo dell'indice di rifrazione sia il risultato del processo di indurimento del polimero. "La quantità di polimero che rimane intrappolata all'interno dei pori è controllata dall'intensità del laser e dalle condizioni di esposizione, " ha detto Braun. "Mentre le proprietà ottiche del polimero stesso non cambiano, l'indice di rifrazione complessivo del materiale è controllato in funzione dell'esposizione laser."

I membri del team hanno affermato di aspettarsi che il loro metodo avrà un impatto significativo sulla produzione di componenti ottici complessi e sistemi di imaging e sarà utile per far progredire l'informatica personale.

"Un ottimo esempio dell'applicazione di questo sviluppo sarà il suo impatto sul trasferimento di dati all'interno di un personal computer, " Goddard ha detto. "I computer attuali utilizzano connessioni elettriche per trasmettere i dati. Però, i dati possono essere inviati a una velocità significativamente maggiore utilizzando una guida d'onda ottica perché è possibile utilizzare diversi colori di luce per inviare dati in parallelo. Una sfida importante è che le guide d'onda convenzionali possono essere realizzate solo su un unico piano e quindi è possibile collegare un numero limitato di punti sul chip. Creando guide d'onda tridimensionali, possiamo migliorare notevolmente il routing dei dati, velocità di trasferimento ed efficienza energetica."