Las lentes se están reinventando y las cámaras nunca serán las mismas

Las lentes son casi tan antiguas como la civilización misma. Los antiguos egipcios, griegos y babilonios desarrollaron lentes hechos de cuarzo pulido y los usaron para un aumento simple. Más tarde, los científicos del siglo XVII combinaron lentes para hacer telescopios y microscopios, instrumentos que cambiaron nuestra visión del universo y nuestra posición dentro de él.

Ahora las lentes se están reinventando mediante el proceso de fotolitografía, que talla características de sublongitud de onda en láminas planas de vidrio. Hoy, Alan She y sus colegas de la Universidad de Harvard en Massachusetts muestran cómo organizar estas características de manera que dispersen la luz con un mayor control que nunca antes. Dicen que los metalenses resultantes están configurados para revolucionar la imagen y marcar el comienzo de una nueva era de procesamiento óptico.

La fabricación de lentes siempre ha sido un negocio complicado. Generalmente se hace vertiendo vidrio fundido, o dióxido de silicio, en un molde y dejándolo fraguar antes de molerlo y pulirlo en la forma requerida. Este es un negocio que requiere mucho tiempo y es significativamente diferente de los procesos de fabricación de componentes de sensores de luz en microchips.

Los metalenses se tallan en obleas de dióxido de silicio en un proceso como el que se usa para fabricar chips de silicio.

Entonces, una forma de hacer lentes en chips de la misma manera sería muy útil. Permitiría fabricar lentes en las mismas plantas que otros componentes microelectrónicos, incluso al mismo tiempo.

Ella y compañía muestran cómo este proceso ahora es posible. La idea clave es que pequeñas características, más pequeñas que la longitud de onda de la luz, pueden manipularla. Por ejemplo, la luz blanca se puede descomponer en los colores que la componen reflejándola en una superficie en la que se tallan un conjunto de trincheras paralelas que tienen la misma escala que la longitud de onda de la luz.

Los metalenses pueden producir imágenes de alta calidad.

Los físicos han jugado con las llamadas rejillas de difracción durante siglos. Pero la fotolitografía permite llevar la idea mucho más allá al crear una gama más amplia de características y variar su forma y orientación.

Desde la década de 1960, la fotolitografía ha producido características cada vez más pequeñas en chips de silicio. En 1970, esta técnica podía tallar formas en silicio con una escala de alrededor de 10 micrómetros. Para 1985, el tamaño de las características se había reducido a un micrómetro y, para 1998, a 250 nanómetros. Hoy en día, la industria de los chips fabrica características de alrededor de 10 nanómetros de tamaño.

La luz visible tiene una longitud de onda de 400 a 700 nanómetros, por lo que la industria de los chips ha sido capaz de fabricar funciones de este tamaño durante algún tiempo. Pero solo recientemente los investigadores comenzaron a investigar cómo se pueden organizar estas características en láminas planas de dióxido de silicio para crear metalenses que desvían la luz.

El proceso comienza con una oblea de dióxido de silicio sobre la que se deposita una fina capa de silicio cubierta con un patrón fotorresistente. Luego, el silicio que se encuentra debajo se talla con luz ultravioleta. Lavar el fotorresistente restante deja el silicio no expuesto en la forma deseada.

Ella y sus compañeros utilizan este proceso para crear una serie periódica de pilares de silicio sobre vidrio que dispersan la luz visible a medida que pasa. Y al controlar cuidadosamente el espacio entre los pilares, el equipo puede enfocar la luz.

Los espacios específicos entre pilares determinan las propiedades ópticas precisas de esta lente. Por ejemplo, los investigadores pueden controlar la aberración cromática para determinar dónde se enfoca la luz de diferentes colores.

En las lentes de imágenes, la aberración cromática debe minimizarse; de ​​lo contrario, produce franjas de colores alrededor de los objetos que se ven a través de telescopios de juguete baratos. Pero en los espectrógrafos, se deben enfocar diferentes colores en diferentes lugares. Ella y compañía pueden hacer cualquiera de las dos cosas.

Estos lentes tampoco sufren de aberración esférica, un problema común con los lentes ordinarios causado por su forma esférica tridimensional. Los metalenses no tienen este problema porque son planos. De hecho, son similares a las lentes ideales teóricas que los físicos universitarios estudian en los cursos de óptica.

Por supuesto, los físicos han podido fabricar lentes planas, como las lentes de Fresnel, durante décadas. Pero siempre han sido difíciles de hacer.

El avance clave aquí es que los metalenses, debido a que se pueden fabricar de la misma manera que los microchips, se pueden producir en masa con características de superficie de sublongitud de onda. Ella y compañía hacen docenas de ellos en una sola oblea de sílice. Cada una de estas lentes tiene menos de un micrómetro de espesor, con un diámetro de 20 milímetros y una distancia focal de 50 milímetros.

Prevemos una transición de fabricación desde el uso de ópticas mecanizadas o moldeadas a ópticas con patrones litográficos, donde se pueden producir en masa con una escala y precisión similares a las de los chips IC, dicen She and co.

Y pueden hacer esto con tecnología de fabricación de chips que tiene más de una década. Eso le dará a las viejas plantas fabulosas una nueva oportunidad de vida. El equipo de última generación es útil, pero no necesariamente necesario, dicen ella y compañía.

Los metalenses tienen una amplia gama de aplicaciones. El más obvio es la imagen. Las lentes planas harán que los sistemas de imágenes sean más delgados y simples. Pero lo más importante, dado que los metalenses se pueden fabricar en el mismo proceso que los componentes electrónicos para detectar la luz, serán más baratos.

Por lo tanto, las cámaras para teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y sistemas de imágenes de realidad aumentada de repente se volverán más pequeñas y menos costosas de fabricar. Incluso podrían imprimirse en el extremo de las fibras ópticas para actuar como endoscopios.

Los astrónomos también podrían divertirse. Estas lentes son significativamente más livianas y delgadas que los gigantes que han puesto en órbita en observatorios como el Telescopio Espacial Hubble. Una nueva generación de astronomía espacial y observación de la Tierra llama.

Pero es dentro de los propios chips donde esta tecnología podría tener el mayor impacto. La técnica hace posible construir complejos sistemas ópticos tipo banco en chips para procesamiento óptico.

Y hay más avances en camino. Una posibilidad es cambiar las propiedades de los metalenses en tiempo real usando campos eléctricos. Eso plantea la posibilidad de lentes que cambien la distancia focal con el voltaje o, más importante, que cambien la luz.

Ref: arxiv.org/abs/1711.07158 : Metalenses de Gran Área: Diseño, Caracterización y Fabricación en Masa

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