L'inserimento di aria nel vetro caldo per formare una bolla è stato utilizzato per realizzare oggetti in vetro fin dall'epoca romana. Nel nuovo lavoro, i ricercatori applicano questi stessi principi di soffiatura del vetro su scala microscopica per realizzare lenti speciali a forma di cono in miniatura note come axicons.

Gli Axicon sono utilizzati per modellare la luce laser in modo vantaggioso per la perforazione ottica, imaging e creazione di trappole ottiche per manipolare particelle o cellule. Queste lenti sono note da più di 60 anni, ma la loro fabbricazione, soprattutto quando piccolo, non è facile.

"La nostra tecnica ha il potenziale per produrre robusti assi in miniatura in vetro a basso costo, che potrebbe essere utilizzato in sistemi di imaging miniaturizzati per applicazioni di imaging biomedico, come la tomografia a coerenza ottica, o ottobre, ", ha affermato il membro del team di ricerca Nicolas Passilly dell'Istituto FEMTO-ST in Francia.

Nella rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica , i ricercatori descrivono il nuovo approccio di fabbricazione, che si basa sugli stessi processi utilizzati per realizzare un gran numero di circuiti fotonici ed elettronici in parallelo su wafer semiconduttori. I ricercatori hanno utilizzato il loro approccio per creare assi di vetro con diametri di 0,9 e 1,8 millimetri e hanno dimostrato di aver generato con successo travi Bessel.

"La microfabbricazione a livello di wafer consente di integrare gli axicon in microsistemi più complessi realizzati anche a livello di wafer, portando a un sistema costituito da una pila di wafer, " ha detto Passilly. "Questo tipo di integrazione viene fornito con migliori allineamenti ottici, confezionamento sottovuoto ad alte prestazioni e costi molto inferiori per i sistemi finali perché un gran numero può essere lavorato contemporaneamente."

Creare una microlente

Se utilizzato con un laser, axicons creano un raggio di luce che inizia come un raggio simile a Bessel, un raggio non diffrangente con la massima intensità sul proprio asse, e poi si trasforma in un raggio cavo più lontano dall'axicon. I fasci simili a Bessel presentano una profondità di campo che può essere di ordini di grandezza maggiore di quella di un raggio focalizzato da una tradizionale lente arrotondata con un diametro simile. L'elevata profondità di campo del raggio consente ai trapani ottici di raggiungere una profondità maggiore e creare immagini OCT di qualità superiore. Per pinzette ottiche, sia la porzione tipo Bessel che quella cava del fascio possono essere utilizzate per intrappolare particelle o cellule.

Le tecniche tradizionalmente utilizzate per realizzare gli axicon di vetro possono produrre solo una lente alla volta. Sebbene axicons meno costosi possano essere realizzati in polimero, questi non possono resistere a processi ad alta temperatura come la fabbricazione a livello di wafer o essere utilizzati in applicazioni che richiedono alti livelli di potenza luminosa.

"Gli axicon polimerici non possono essere utilizzati nella perforazione ottica, Per esempio, perché la potenza luminosa istantanea è paragonabile alla potenza di una centrale nucleare ma con una durata estremamente breve, "disse Passilli.

La micro soffiatura del vetro è stata precedentemente utilizzata per realizzare microlenti, ma di solito comporta l'espansione del gas da un singolo giacimento. I ricercatori hanno sviluppato un metodo di fabbricazione dell'axicon che combina l'espansione del gas da più serbatoi per produrre la forma conica del componente ottico. La tecnica modella la superficie dal basso lasciando una superficie ottica di alta qualità, a differenza dei metodi comunemente usati come il trasferimento di incisione da una maschera 3D che incide il wafer dall'alto.

Per realizzare il nuovo metodo di micro soffiatura del vetro, i ricercatori hanno depositato cavità di silicio in anelli concentrici che sono stati poi sigillati con vetro a pressione atmosferica. Il posizionamento della pila di silicio e vetro in una fornace ha causato l'espansione del gas intrappolato nelle cavità, creando bolle a forma di anello. Queste bolle hanno spinto fuori la superficie del vetro per formare forme coniche e poi il lato opposto è stato levigato per lasciare solo le lenti sagomate.

"Sebbene tutti i processi che abbiamo utilizzato siano standard per la microfabbricazione, abbiamo applicato queste tecniche in modi non standard per realizzare assi di vetro in miniatura, " disse Passilly. "La tecnica potrebbe essere applicata per creare altre forme, anche quelli senza simmetria cilindrica."