Gli obiettivi vengono reinventati e le fotocamere non saranno più le stesse

Le lenti sono vecchie quasi quanto la civiltà stessa. Gli antichi egizi, greci e babilonesi svilupparono tutti lenti in quarzo levigato e le usarono per un semplice ingrandimento. Successivamente, gli scienziati del 17° secolo hanno combinato le lenti per realizzare telescopi e microscopi, strumenti che hanno cambiato la nostra visione dell'universo e la nostra posizione al suo interno.

Ora gli obiettivi vengono reinventati dal processo di fotolitografia, che incide le caratteristiche della lunghezza d'onda su lastre di vetro piatte. Oggi, Alan She e i suoi amici dell'Università di Harvard nel Massachusetts mostrano come disporre queste caratteristiche in modo da diffondere la luce con un controllo maggiore di quanto sia mai stato possibile. Dicono che i metalensi risultanti siano destinati a rivoluzionare l'imaging e inaugurare una nuova era di elaborazione ottica.

La produzione di lenti è sempre stata un'attività complicata. Generalmente viene fatto versando del vetro fuso, o biossido di silicio, in uno stampo e lasciandolo solidificare prima di levigarlo e lucidarlo nella forma richiesta. Si tratta di un'attività dispendiosa in termini di tempo che è significativamente diversa dai processi di produzione per i componenti di rilevamento della luce su microchip.

I metalensi vengono scolpiti su wafer di biossido di silicio in un processo simile a quello utilizzato per produrre chip di silicio

Quindi un modo per realizzare lenti su chip allo stesso modo sarebbe estremamente utile. Consentirebbe di fabbricare lenti negli stessi impianti di altri componenti microelettronici, anche contemporaneamente.

Lei e i suoi colleghi mostrano come questo processo sia ora possibile. L'idea chiave è che minuscole caratteristiche, più piccole della lunghezza d'onda della luce, possono manipolarla. Ad esempio, la luce bianca può essere suddivisa nei suoi colori componenti riflettendola su una superficie in cui sono scavate una serie di trincee parallele che hanno la stessa scala della lunghezza d'onda della luce.

Metalenses può produrre immagini di alta qualità

I fisici hanno giocato per secoli con i cosiddetti reticoli di diffrazione. Ma la fotolitografia permette di portare l'idea molto oltre creando una gamma più ampia di caratteristiche e variandone la forma e l'orientamento.

Dagli anni '60, la fotolitografia ha prodotto caratteristiche sempre più piccole su chip di silicio. Nel 1970, questa tecnica poteva scolpire forme nel silicio con una scala di circa 10 micrometri. Nel 1985, la dimensione delle caratteristiche era scesa a un micrometro e nel 1998 a 250 nanometri. Oggi, l'industria dei chip produce elementi di dimensioni di circa 10 nanometri.

La luce visibile ha una lunghezza d'onda compresa tra 400 e 700 nanometri, quindi l'industria dei chip è stata in grado di realizzare caratteristiche di queste dimensioni per un po' di tempo. Ma solo di recente i ricercatori hanno iniziato a studiare come queste caratteristiche possono essere disposte su fogli piatti di biossido di silicio per creare metalli che piegano la luce.

Il processo inizia con un wafer di biossido di silicio su cui viene depositato un sottile strato di silicio ricoperto da uno schema fotoresist. Il silicio sottostante viene quindi scolpito usando la luce ultravioletta. Lavare via il fotoresist rimanente lascia il silicio non esposto nella forma desiderata.

Lei e i suoi colleghi utilizzano questo processo per creare una serie periodica di pilastri di silicio su vetro che diffondono la luce visibile mentre attraversa. E controllando attentamente la distanza tra i pilastri, il team può portare la luce a fuoco.

Spaziature specifiche dei pilastri determinano le proprietà ottiche precise di questo obiettivo. Ad esempio, i ricercatori possono controllare l'aberrazione cromatica per determinare dove si concentra la luce di diversi colori.

Negli obiettivi di imaging, l'aberrazione cromatica deve essere ridotta al minimo, altrimenti produce le frange colorate attorno agli oggetti visti attraverso telescopi giocattolo economici. Ma negli spettrografi, colori diversi devono essere messi a fuoco in luoghi diversi. Lei e i suoi possono fare entrambe le cose.

Né questi obiettivi soffrono di aberrazione sferica, un problema comune con gli obiettivi ordinari causato dalla loro forma sferica tridimensionale. I metalensi non hanno questo problema perché sono piatti. In effetti, sono simili alle lenti ideali teoriche che i fisici universitari studiano nei corsi di ottica.

Naturalmente, i fisici sono stati in grado di realizzare lenti piatte, come le lenti di Fresnel, per decenni. Ma sono sempre stati difficili da realizzare.

Il progresso chiave qui è che i metalli, poiché possono essere fabbricati allo stesso modo dei microchip, possono essere prodotti in serie con caratteristiche di superficie a lunghezza d'onda. Lei e i suoi ne producono dozzine su un unico wafer di silice. Ognuna di queste lenti ha uno spessore inferiore a un micrometro, un diametro di 20 millimetri e una lunghezza focale di 50 millimetri.

Prevediamo una transizione di produzione dall'utilizzo di ottiche lavorate o modellate a ottiche modellate litograficamente, dove possono essere prodotte in serie con la scala e la precisione simili ai chip IC, affermano She e co.

E possono farlo con la tecnologia di fabbricazione dei chip che ha più di un decennio. Ciò darà nuova vita alle vecchie piante favolose. L'attrezzatura all'avanguardia è utile, ma non necessariamente necessaria, affermano She e co.

I Metalense hanno una vasta gamma di applicazioni. Il più ovvio è l'imaging. Le lenti piatte renderanno i sistemi di imaging più sottili e semplici. Ma soprattutto, poiché i metalensi possono essere fabbricati nello stesso processo dei componenti elettronici per il rilevamento della luce, saranno più economici.

Quindi le fotocamere per smartphone, laptop e sistemi di imaging in realtà aumentata diventeranno improvvisamente più piccole e meno costose da realizzare. Potrebbero anche essere stampati sull'estremità delle fibre ottiche per fungere da endoscopi.

Anche gli astronomi potrebbero divertirsi. Queste lenti sono significativamente più leggere e sottili dei colossi che hanno lanciato in orbita in osservatori come il telescopio spaziale Hubble. Una nuova generazione di astronomia spaziale e osservazione della Terra fa cenno.

Ma è all'interno dei chip stessi che questa tecnologia potrebbe avere il maggiore impatto. La tecnica consente di costruire complessi sistemi ottici da banco in chip per l'elaborazione ottica.

E ci sono ulteriori progressi in cantiere. Una possibilità è quella di modificare le proprietà dei metalli in tempo reale usando i campi elettrici. Ciò solleva la prospettiva di obiettivi che cambiano la lunghezza focale con la tensione o, più significativo, che cambiano la luce.

Rif: arxiv.org/abs/1711.07158 : Metalenses di grandi dimensioni: progettazione, caratterizzazione e produzione di massa

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