Un numero crescente di applicazioni, comprese le fotocamere degli smartphone, dipendono dalle microlenti per aumentare le prestazioni. Una tecnologia di nuova concezione, chiamato catapulta laser, potrebbe rendere molto più semplice e meno costoso fabbricare queste lenti miniaturizzate con proprietà personalizzate, come la forma o il potere di focalizzazione.

Nella rivista The Optical Society (OSA) Materiali ottici Express , i ricercatori dell'Istituto Italiano di Tecnologia in Italia descrivono il loro nuovo metodo additivo laser per creare microlenti utilizzando un singolo impulso laser. La tecnologia consente persino di fabbricare microlenti e array di microlenti direttamente su fotocamere o celle solari.

Le microlenti migliorano le prestazioni di fotocamere e celle solari concentrando la luce nelle aree più sensibili dei dispositivi. Per esempio, sono ampiamente utilizzati nelle fotocamere degli smartphone più recenti per aumentare la sensibilità e la velocità di imaging in condizioni di scarsa illuminazione.

"Il nostro approccio alla fabbricazione semplifica la produzione di lenti, consentendo una maggiore varietà nel design e una maggiore flessibilità negli ambienti in cui è possibile utilizzare le microlenti, " ha affermato il leader del gruppo di ricerca Martí Duocastella. "Oltre alle applicazioni completamente nuove, questo metodo potrebbe portare a nuove fotocamere che acquisiscono video in condizioni di scarsa illuminazione, celle solari con maggiore efficienza e microscopi che sono più bravi a catturare processi veloci."

Catapultare con la luce

Sebbene le micro-ottiche siano disponibili in commercio, possono essere proibitivi e difficili da aggiungere ai dispositivi esistenti. Anche con i metodi tradizionali di fabbricazione delle microlenti come la fotolitografia, è difficile integrare lenti o creare array di microlenti molto densi.

I ricercatori hanno sviluppato la catapulta per superare queste limitazioni. Il metodo utilizza un impulso laser per rimuovere e catapultare un microdisco da un sottile film polimerico e farlo cadere su una regione di interesse definita. Il polimero nel microdisco viene quindi riscaldato in modo che possa rifluire termicamente, consentendo alle forze capillari, le stesse che rendono sferiche le gocce d'acqua, di modellare il microdisco in una lente rotonda. La modifica della forma del raggio laser consente la fabbricazione di microlenti con diverse proprietà o forme di focalizzazione, come rettangolare, triangolare o circolare.

"La catapulta laser collega i punti tra i metodi di fabbricazione basati su laser esistenti per risolvere i problemi con le attuali strategie di fabbricazione di microlenti, " ha detto Duocastella. "Colma il divario tra il crescente numero di applicazioni che richiedono microlenti e le tecnologie in grado di generare micro-ottiche personalizzate on-demand".

Dopo aver studiato la relazione tra la forma del raggio laser e i microdischi risultanti, i ricercatori hanno esplorato la riproducibilità, precisione e accuratezza della loro tecnica. La loro analisi ha mostrato che il metodo potrebbe essere utilizzato per produrre in modo riproducibile microlenti con raggi tra 50 e 250 micron e levigatezza molto elevata. La misurazione delle proprietà ottiche delle microlenti e delle capacità di raccolta della luce degli array di microlenti realizzati con la tecnica ha mostrato che queste micro-ottiche hanno mostrato prestazioni limitate dalla diffrazione, il che significa che erano buoni quanto la teoria consente.

I ricercatori affermano che la catapulta laser potrebbe essere combinata con metodi rapidi di modellazione del raggio laser per il controllo al volo delle prestazioni ottiche e della forma delle singole microlenti all'interno di una matrice.

Catturare processi biologici veloci

I ricercatori prevedono di utilizzare la catapulta laser per fabbricare microlenti sopra gli array di fotorivelatori in modo da poter sviluppare un sistema di microscopia 3D ad alta velocità per caratterizzare processi biologici molto veloci, come le comunicazioni neuronali o il traffico di virus. Le microlenti aumenteranno l'efficienza di raccolta della luce dei fotorivelatori e quindi diminuiranno il tempo di imaging.

"Questi nuovi array di fotorivelatori offrono importanti vantaggi rispetto alla microscopia confocale, ma non possono raccogliere la stessa quantità di luce dei tradizionali rilevatori a punto singolo, " ha detto Duocastella. "Crediamo che le microlenti, e catapulta laser in particolare, contribuirà a migliorare le prestazioni di questi array di fotorivelatori e ad espandere il loro uso tra la comunità dei microscopia".