Una de las partes más caras de las cámaras integradas en los teléfonos inteligentes es el sistema de lentes. Esto se debe a que las lentes deben fabricarse de una manera completamente diferente a los componentes electrónicos que componen el resto del teléfono.
En los últimos años, los físicos han esperado cambiar esto con un nuevo tipo de “metalentes” que pueden tallarse en una lámina plana de dióxido de silicio o material similar. Los metalenses están formados por pilares de silicio, cada uno de los cuales tiene aproximadamente el mismo tamaño que la longitud de onda de la luz.
Estos pilares interactúan con la luz, haciendo que se doble y se disperse de maneras precisamente controlables. Así, al disponer un gran número de pilares en conjuntos periódicos, los físicos pueden hacer que desvíen la luz del mismo modo que una lente convencional.
Esto allana el camino para que los metalentes se graben en los mismos chips de silicio que se utilizan para capturar y procesar imágenes. En este escenario, las costosas lentes convencionales quedan completamente obsoletas.
Esfuerzos vacilantes
Pero los intentos de crear metalenses utilizando litografía basada en luz han fracasado hasta ahora.
Lo que se necesita es otra forma de fabricar metalenses que sea compatible con la fabricación de chips a gran escala.
Aquí entra Andrew McClung y sus colegas de la Universidad de Massachusetts en Amherst, quienes han demostrado exactamente esto: una nueva forma de fabricar metalenses que sea compatible con la fabricación de chips. Dicen que su enfoque “tiene potencial para una adopción generalizada en la electrónica de consumo y los sistemas de imágenes”.
Las lentes convencionales generalmente se fabrican vertiendo vidrio o plástico en un molde y luego esmerilándolo y puliéndolo hasta darle la forma requerida. Si se utilizan en un teléfono móvil o en un sistema de imágenes similar, estas lentes deben alinearse cuidadosamente con el chip y pegarse en su lugar. Eso es complicado, complicado y caro.
En la última década, los físicos han comenzado a fabricar metalenses utilizando un proceso llamado litografía por haz de electrones, que puede tallar pequeñas características en sustratos. Pero como los electrones son difíciles de controlar, este proceso no es adecuado para la fabricación de chips a gran escala. Esto generalmente se basa en la litografía basada en luz, que aún no puede fabricar metalenses a la escala requerida.
Entonces, en lugar de la litografía óptica convencional, McClung y sus colegas han perfeccionado esencialmente la técnica opuesta. En lugar de tallar el patrón en un sustrato, lo imprimen, un poco como estampar un patrón en una tableta de arcilla.
Esta técnica, llamada litografía por nanoimpresión, comienza moldeando un sello a nanoescala hecho de un polímero de silicio. Luego presionan este sello en una resina sintética llamada polimetacrilato de metilo o PMMA. Esta resina se asienta sobre una capa de nitruro de silicio sobre una capa de dióxido de silicio.
Imprimir encantador
Este proceso de impresión deja un patrón con la forma de las lentes metálicas que luego se puede grabar en el sustrato. El resultado es un patrón de pilares de nitruro de silicio asentados sobre el sustrato de dióxido de silicio: una metalena.
McClung y sus compañeros muestran cómo esta técnica puede crear lentes de 6 mm de diámetro que enfocan con precisión la luz visible hasta cerca del límite de difracción y con una eficiencia de enfoque del 81 por ciento. En comparación, una lente similar que fabricaron utilizando litografía por haz de electrones logró una eficiencia de enfoque del 89 por ciento.
Se trata de un trabajo interesante que tiene potencial para utilizarse en las actuales instalaciones de producción en masa. “La fabricación escalable de metasuperficies de alta eficiencia que operan en el rango de longitud de onda visible abre oportunidades para su adopción generalizada en aplicaciones de consumo”, afirman los investigadores.
Las cámaras de los teléfonos inteligentes, las cámaras web y similares son sólo algunas de estas aplicaciones. Los metalenses también se pueden utilizar para canalizar la luz a través de chips, creando diseños 3D complejos para procesar la luz. “Este avance permite el desarrollo de sistemas ópticos compactos y altamente eficientes que pueden integrarse perfectamente en diversas aplicaciones”, afirman McClung y compañía.
Si tienen razón, ¡los metalenses deberían llegar pronto a un teléfono inteligente cerca de usted (más o menos)!
Ref: Metalentes visibles de alta eficiencia de enfoque fabricados mediante litografía de nanoimpresión: arxiv.org/abs/2312.13851