Microsistemi ottici riconfigurabili in tempo reale e nano-litografia olografica

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Stefano Luigi Oscurato, Francesco Reda, Marcella Salvatore e Pasqualino Maddalena del Dipartimento di Fisica "Ettore Pancini", Fabio Borbone del Dipartimento di Scienze Chimiche e Antonio Ambrosio dell'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), sono i ricercatori formatisi alla scuola federiciana che hanno sviluppato una tecnica di fabbricazione di dispositivi ottici ultrasottili e ultraleggeri a elevate prestazioni per il design di sistemi di imaging ultracompatti.

Il lavoro, pubblicato recentemente sulla prestigiosa rivista scientifica Laser & Photonics Review, è stato svolto nell'ambito di una collaborazione tra i due dipartimenti dell'Ateneo federiciano e l'IIT, con il sostegno del progetto ERC "METAmorphoses", di cui è responsabile Antonio Ambrosio, e il progetto ACTRIS-Aerosol, Clouds and Trace Gases Research Infrastructure finanziato dal MIUR nell'ambito del Programma Nazionale Infrastrutture di Ricerca (PNIR). 

Gli azopolimeri sono materiali fotosensibili cha hanno la peculiare caratteristica di rispondere alla luce incidente attraverso lo sviluppo di microstrutture superficiali, la cui geometria può essere controllata manipolando la luce assorbita. Per di più, è possibile utilizzare la luce stessa per cancellare le strutture presenti sulla superficie, la quale può essere rimodulata nuovamente per via ottica, con un meccanismo assimilabile a quello con cui si formano strutture reversibili sulla sabbia. Tali caratteristiche hanno reso gli azopolimeri attraenti per applicazioni fotolitografiche a basto costo: le principali applicazioni coinvolgono la fotonica e la fisica delle superfici, per la realizzazione di microsistemi ottici, superfici idrorepellenti e adesivi reversibili.

I microdispositivi ottici riconfigurabili sono indispensabili in molte aree tecnologiche emergenti, che mirano allo sviluppo di dispositivi indossabili e visori per la realtà virtuale e/o aumentata, utili in diversi campi quali intrattenimento, domotica, chirurgia, didattica, edilizia. Il rapidissimo aumento della domanda di tali dispositivi richiede enormi sforzi tecnologici proiettati alla miniaturizzazione e all'integrabilità degli elementi ottici convenzionali in sistemi sempre più complessi. Essi attirano l'attenzione anche da parte di grandi società del campo dell'informazione e dell'intrattenimento, che propongono continuamente nuove soluzioni, anche commerciali. Si pensi a HoloLens di Microsoft, a Magic Leap o al prossimo Smart Mirror di Amazon, come esempi di dispositivi di realtà virtuale aumentata. Tuttavia, la produzione su larga scala e ad alte prestazioni degli elementi ottici per tali dispositivi, incontra ancora numerose difficoltà, con processi di fabbricazione generalmente costosi e soprattutto non idonei a realizzare microsistemi riconfigurabili.

Il gruppo di ricercatori, strutturando la superficie di un azopolimero mediante una tecnica ottica innovativa basata sull'olografia digitale, è riuscito a dimostrare la realizzazione a basso costo di diversi componenti ottici, la cui forma e funzionalità può essere ripetutamente riconfigurata a comando e in tempo reale. La tecnica sviluppata permette di superare molti dei limiti dei metodi litografici tradizionali, che tipicamente richiedono lunghi processi seriali di strutturazione, garantendo una versatilità indispensabile per tutte quelle applicazioni in cui le caratteristiche di compattezza, leggerezza, riconfigurabilità e stabilità sono un obbligo più che una richiesta.

La tecnica di nano-litografia olografica che abbiamo messo a punto, – dichiara Stefano Oscurato, primo firmatario dell'articolo – accoppiata alla risposta alla luce laser degli azopolimeri, ci ha consentito di fabbricare lenti e reticoli di diffrazione che possono essere rimodellati e riconfigurati completamente attraverso sole tecniche ottiche. In questo modo la periodicità del reticolo può essere modificata a comando; la lunghezza focale degli obiettivi può essere regolata quando serve e ognuno di tali elementi ottici può essere trasformato in un altro con funzionalità ottiche completamente diverse. I risultati ottenuti offrono nuove strategie per futuri componenti ottici planari e leggeri, integrabili in visori e display.

L'attività di ricerca sperimentale ha visto coinvolti i laboratori di Nano-Ottica del Dipartimento di Fisica e il Laboratorio MaDI del CeSMA. Al riguardo, si mette in evidenza il ruolo svolto dalle strutture del CeSMA, che si propone non solo come Centro di Servizi Tecnologici ma, in questo caso, anche come sede di attività di ricerca di base e applicata, grazie alla disponibilità di strumentazione e competenze avanzate.

Riferimenti: Oscurato, S. L. & al., "Shapeshifting Diffractive Optical Devices", Laser & Photonics Reviews, (2022), 2100514, https://doi.org/10.1002/lpor.202100514


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