Cercetătorii din Illinois au dezvoltat o lentilă sferică care permite luminii care intră în lentilă din orice direcție să fie focalizată într-un punct foarte mic de pe suprafața lentilei exact opusă direcției de intrare. Este pentru prima dată când un astfel de obiectiv este fabricat pentru lumină vizibilă. Credit: Grafic de Michael Vincent
Cercetătorii au dezvoltat noi microlente tipărite 3D cu indici de refracție reglabili, o proprietate care le oferă capacități foarte specializate de focalizare a luminii. Această descoperire este pe cale să îmbunătățească imaginea, calculul și comunicațiile prin creșterea semnificativă a capacității de rutare a datelor a cipurilor de computer și a altor sisteme optice, au spus cercetătorii.
Studiul a fost condus de cercetătorii de la Universitatea din Illinois, Urbana-Champaign, Paul Braun și Lynford Goddard și este primul care demonstrează capacitatea de a regla direcția în care lumina se îndoaie și se deplasează prin un obiectiv cu precizie sub-micrometrică.
Rezultatele studiului sunt publicate în revista Light: Science and Application.
„Având capacitatea de a fabrica optică cu diferite forme și parametri optici oferă o soluție la cele mai frecvente probleme din domeniul opticii”, a spus Braun, care este profesor de știință și inginerie a materialelor. „De exemplu, în aplicațiile de imagistică, concentrarea pe un anumit obiect duce adesea la margini neclare. Sau, în aplicațiile de transfer de date, se doresc viteze mai mari fără a sacrifica spațiul pe un cip de computer. Noua noastră tehnică de fabricare a obiectivelor rezolvă aceste probleme într-un dispozitiv integrat ”.
Ca demonstrație, echipa a realizat trei obiective: un obiectiv plat; prima lentilă Luneburg cu lumină vizibilă din lume: o lentilă sferică care anterior nu putea fi fabricată cu proprietăți de focalizare unice; și ghiduri de undă 3D care pot permite capacități masive de rutare a datelor.
Cercetătorii din Illinois, stânga, Raman Kumar, Corey Richards, Alex Littlefield, Lynford Goddard, Haibo Gao, Paul Braun, Dajie Xie, Christian Ocier și Andrea Perry. Credit: Fotografie de Brian Stauffer
„Un obiectiv standard are un indice de refracție unic și, prin urmare, o singură cale pe care lumina o poate parcurge prin obiectiv”, a spus Goddard, care este profesor de inginerie electrică și informatică. „Având control asupra indicelui de refracție intern și a formei lentilei în timpul fabricării, avem două moduri independente de a îndoi lumina într-un singur obiectiv.”
În laborator, echipa folosește un proces numit scriere directă cu laser pentru a crea lentilele. Un laser solidifică polimerii lichizi și formează structuri optice geometrice mici de până la 100 de ori mai mici decât părul uman. Scriitorii cu laser direct au fost folosiți în trecut pentru a crea alte microlente care aveau doar un indice de refracție.
„Am abordat limitările indicelui de refracție prin imprimarea într-un material de sprijin pentru schele nanoporos”, a spus Braun. „Schela blochează microopticile tipărite la locul lor, permițând fabricarea unui sistem 3D cu componente suspendate.”
Cercetătorii teoretizează că acest control al indicelui de refracție este rezultatul procesului de fixare a polimerilor. “Cantitatea de polimer care este prins în interiorul porilor este controlată de intensitatea laserului și de condițiile de expunere”, a spus Braun. “Deși proprietățile optice ale polimerului în sine nu variază, indicele global de refracție al materialului este controlat pe baza expunerii la laser.”
Membrii echipei au spus că speră că metoda lor va afecta în mod semnificativ fabricarea componentelor optice complexe și a sistemelor de imagistică și va fi utilă în avansarea computerului personal.
„Un exemplu excelent de implementare a acestei dezvoltări va fi impactul său asupra transferului de date de pe un computer personal”, a spus Goddard. „Computerele de astăzi folosesc conexiuni electrice pentru a transmite date. Cu toate acestea, datele pot fi trimise cu o rată semnificativ mai mare utilizând un ghid de undă optic, deoarece diferite culori de lumină pot fi utilizate pentru a trimite date în paralel. O provocare importantă este că ghidurile de undă convenționale pot fi realizate numai într-un singur plan și, prin urmare, se poate conecta un număr limitat de puncte pe cip. Prin crearea unor ghiduri de undă tridimensionale, putem îmbunătăți dramatic rutare de date, viteza de transfer și eficiența energetică. ”
Referință: „Scrierea directă cu laser a lentilelor indexului gradientului volumetric și ghidurilor de undă” de Christian R. Ocier, Corey A. Richards, Daniel A. Bacon-Brown, Qing Ding, Raman Kumar, Tanner J. Garcia, Jorik van de Groep, Jung- Hwan Song, Austin J. Cyphersmith, Andrew Rhode, Andrea N. Perry, Alexander J. Littlefield, Jinlong Zhu, Dajie Xie, Haibo Gao, Jonah F. Messinger, Mark L. Brongersma, Kimani C. Toussaint Jr. , Lynford L. Goddard și Paul V. Braun, 3 decembrie 2020, Lumina: știință și aplicații.
DOI: 10.1038 / s41377-020-00431-3
Christian Ocier și Corey Richards, studenți absolvenți ai UI, sunt autorii principali ai studiului.
Braun este directorul Laboratorului de cercetare a materialelor și afiliat al Institutului Beckman de Știință și Tehnologie Avansată. Goddard este directorul Institutului pentru incluziune, diversitate, echitate și acces de la Grainger College of Engineering și este afiliat la Holonyak Micro and Nanotechnology Laboratory din Illinois.
Departamentul de Energie al SUA, IU și Fundația Națională pentru Științe au susținut această cercetare.