Como as grades e lentes de mudança de forma estão mudando de dispositivos ópticos

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Como as grades e lentes de mudança de forma estão
mudando de dispositivos ópticos
Superfícies sintonizáveis em microestruturadas podem superar as limitações dos atuais componentes
imutáveis que resultam em dispositivos ópticos “estáticos”.
É difícil imaginar um mundo sem luz e apropriadamente para um aspecto tão importante do Universo, os
cientistas encontraram uma gama notavelmente ampla de aplicações para a radiação eletromagnética. A
manipulação da luz, visível ou não aos nossos olhos, é usada em funções cotidianas mundanas, como
operar TVs, bem como aplicações fora deste mundo, como avaliar as propriedades químicas de estrelas
distantes.
A chave para essas operações, não importa quão complexas, são componentes ópticos, como lentes
encontradas em óculos, smartphones, câmeras, telescópios e uma série de outras tecnologias.
A forma como a luz interage com um elemento óptico depende da sua forma tridimensional e da
natureza do material de que é feito. Em alguns casos, a maneira como a luz passa por um componente,
como uma lente, pode ser completamente controlada em dispositivos ultrafinos – o conceito subjacente
à “óticaplanar”.
As estruturas de superfície às vezes são implementadas em nanoescala, tornando sua função menos
óbvia e sua fabricação mais desafiadora do que os componentes ópticos padrão. Além das “lentes
planas”, a ótica planar inclui polarizadores, filtros de cor e grades de difração.
https://www.advancedsciencenews.com/category/space/
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Manipular a luz em nanoescala
Uma grade de difração é feita de ranhuras periodicamente espaçadas que, quando a luz brilha através
dela, produzem a uma distância uma linha de pontos de luz ao longo de uma direção perpendicular aos
sulcos de grade. I enganosamente simples na natureza, as grades de difração representam o primeiro
exemplo de estruturação da luz utilizando uma manipulação projetada da fase da luz - uma propriedade
inerentemente associada à natureza ondulatória da luz.
A criação de grades de difração e óptica planar requer a adaptação da morfologia da superfície nas
mesmas escalas espaciais de comprimento de onda de luz, que atualmente é feito por litografia - a
transferência de um padrão para uma superfície (ou "substrato") usando uma fonte de radiação, como
um feixe de luz ou elétrons, e um subsequente processo de gravação de superfície seletivo químico ou
físico (ou "estruindo").
O problema com os métodos de gravura atual é que, uma vez que o processo foi concluído, a morfologia
da superfície litográfica é definida. Isso resulta em dispositivos ópticos “estáticos” com uma
funcionalidade definida para sempre por sua fabricação e sem espaço para ajustes.
Em um artigo publicado pela Laser & Photonics Reviews, pesquisadores da Universidade de Nápoles
Federico II e do Instituto Italiano di Tecnologia (IIT) documentam a criação de elementos ópticos
difrativos com propriedades ajustáveis que poderiam superar as limitações dos métodos litográficos
padrão atualmente usados para fabricar componentes ópticos planares.
“O resultado de nossa pesquisa é o metamorfose de elementos ópticos difrativos, que estão operando
totalmente superfícies microestruturadas fabricadas diretamente em um filme de material
fotorresponsivo”, disse Stefano Oscurato, chefe do grupo de pesquisa em Nápoles e co-autor do artigo.
“A morfologia de nossas superfícies poliméricas pode ser alterada em tempo real para fornecer
diferentes funcionalidades ópticas sob demanda.”
“Elementos ópticos difrativos de mudança de forma são componentes ópticos planares e
reconfiguráveis, projetados como superfícies micropadronas com espessura e baixo peso”, acrescentou
seu colega, Antonio Ambrosio, investigador principal da Vectorial Nano-Imaging, a linha de pesquisa do
IIT em Milão e co-correspondente autor do artigo.
Criação de dispositivos ópticos sintoníveis
Oscurato explicou que, para criar seus elementos ópticos difrativos de mudança de forma e para obter
recursos sem precedentes para um dispositivo óptico planar, a equipe desenvolveu um esquema de
fotolitografia sem máscara para explorar plenamente as capacidades da fabricação direta de superfícies
estruturadas dinamicamente.
Seu ambiente litográfico especial é baseado em holografia gerada por computador - uma técnica que
permite que uma onda de luz seja gravada e depois reconstruída para criar uma imagem 3D.
“Nosso sistema pode projetar padrões de luz holográfica com a geometria do componente desejado
diretamente na superfície do polímero, fabricando diretamente o componente óptico planar operacional”,
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100514
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disse Oscurato. “Ao atualizar no tempo, os hologramas projetados, a morfologia e a funcionalidade do
dispositivo são atualizados de acordo, resultando em elementos difrativos sem precedentes.”
O sistema da equipe pode projetar distribuições de intensidade de escala cinza (preto e branco) de
intensidade espacialmente estruturada na superfície de um filme fotorresivo.
Eles inscrevem reversivelmente este filme em uma única etapa litográfica com a morfologia da superfície
de múltiplos elementos difrativos reconfiguráveis, incluindo grades com periodicidade e orientação
variáveis e lentes difrativas varíricas.
Ver o dobro: dois grandes avanços na óptica
Ambrosio acrescentou que há dois grandes avanços associados ao método da equipe sobre os métodos
atuais de fabricação.
“Primeiro, todo o processo de fabricação pode ser concluído em um ambiente de laboratório padrão sem
a necessidade de instalações especializadas, equipamentos caros e processos adicionais de várias
etapas”, explicou Ambrosio.
Isso reduz drasticamente os recursos e os custos associados à fabricação de dispositivos ópticos
planares avançados, evitando também o desperdício de materiais perigosos tipicamente envolvidos na
litografia padrão. “Em segundo lugar, nossos dispositivos difrativos de mudança de forma são totalmente
reprogramáveis pela luz, o que é impossível para componentes ópticos fabricados por outros métodos”,
continuou ele.
“O aspecto mais surpreendente desta pesquisa é a eficácia e a simplicidade da superfície óptica que
subjaz aos nossos elementos ópticos que mudam de forma”, disse Oscurato. “Embora estejamos cientes
do potencial dos materiais contendo azobenzeno para esta tarefa única, o grande número e a qualidade
dos ciclos de apagamento e reescrita que podem realmente ser alcançados ajustando precisamente os
parâmetros experimentais foram inesperados.
“Esse aspecto torna os resultados do nosso trabalho ainda mais relevantes para aplicações tecnológicas
emergentes que exigem componentes ópticos miniaturizados e totalmente reprogramáveis”.
As aplicações potenciais incluem sistemas ópticos que atualmente devem operar com diferentes grades
de difração e até mesmo câmeras que ampliam movendo uma ou duas lentes. O sistema também pode
ajudar os microscópios usados para rastrear elementos em movimento, algo atualmente feito
mecanicamente.
“Muitas aplicações práticas podem tirar proveito da natureza compacta, leve e reprogramável de nossos
elementos difrativos que mudam de forma”, disse Ambrosio.
“As áreas estruturadas em larga escala e as superfícies dotadas de morfologia de alta proporção em
microescala, fabricadas com a abordagem holográfica que desenvolvemos aqui, poderiam até estender
a gama de aplicações de nossas superfícies de mudança de forma além da fotônica para a biologia e
engenharia de superfície geral”, acrescentou Oscurato.
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Os autores explicaram que o trabalho futuro da equipe será focado principalmente em alcançar
funcionalidades ópticas mais complexas para as superfícies de mudança de forma da equipe para
atender às demandas da tecnologia óptica miniaturizada emergente. Um exemplo dessa tecnologia são
os projetores holográficos desenvolvidos e demonstrados pela mesma equipe em pesquisasrecentes
separadas.
Referência: S. L. (quera). Oscurato, et al., Dispositivos ópticos difrativos de mudança de forma, Laser &
Photonics, (2023). DOI: 10.1002/lpor.202100514
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https://doi.org/10.1002/adom.202300823
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100514