Lente plana amplia horizontes tecnológicos, com foco na miniaturização

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/01/2025

A lente final de cor única é fabricada em uma pastilha de silício, como os chips, podendo então ser cortadas para uso nos circuitos desejados.
[Imagem: Ryohei Yamada et al. - 10.1038/s41377-024-01725-6]

Lentes planas

Lentes finas como papel, que sejam simples o bastante para serem produzidas em escala industrial, se possível dentro de microchips, são necessárias para facilitar a viabilização de uma nova geração de dispositivos ópticos compactos, de melhores câmeras para celulares até a computação fotônica.

A alternativa mais promissora disponível atualmente para a miniaturização das tecnologias fotônicas está nas metalentes, que estão permitindo a miniaturização dos sistemas de imagens. Contudo, sua fabricação, baseada na tecnologia dos metamateriais e das metassuperfícies, ainda não permite sua fabricação em massa a um custo baixo o suficiente para uma infinidade de outros usos.

Foi pensando nisso que Ryohei Yamada e colegas da Universidade de Tóquio, no Japão, voltaram-se para uma outra abordagem de lentes planas, conhecidas como "placas zonais de Fresnel", consideradas promissoras para melhorar dispositivos ópticos onde o espaço é crítico, o que é o caso de aplicações que vão da astronomia à assistência médica e aos eletrônicos de consumo.

O problema é que também não existia uma técnica eficiente para a produção dessas lentes planas em larga escala.

O que Yamada e seus colegas descobriram é que não é preciso inventar um novo processo produtivo para fabricar placas zonais de Fresnel: Dá para usar uma tecnologia da indústria de semicondutores, já disponível industrialmente.

O processo de fabricação é muito simples, dispensando até mesmo os solventes comumente usados na indústria eletrônica.
[Imagem: Ryohei Yamada et al. - 10.1038/s41377-024-01725-6]

Placas zonais de Fresnel

O funcionamento das placas zonais de Fresnel se baseia no princípio da difração da luz. A lente divide a onda de luz em múltiplas ondas secundárias que se difratam pelos anéis. Essas ondas secundárias interferem entre si, construtivamente em alguns pontos e destrutivamente em outros, criando um padrão de difração característico.

O segredo do seu funcionamento está no projeto preciso do tamanho e da espessura dos anéis, de modo a concentrar a luz em um ponto focal, como faz uma lente convencional.

Enquanto as lentes tradicionais precisam ser fabricadas de vidro ou algum cristal especial, as placas zonais de Fresnel podem ser fabricadas com uma infinidade de materiais, permitindo uma ampla gama de aplicações.

Sua maior vantagem, contudo, é que elas podem ser fabricadas em dimensões muito pequenas, o que as torna ideais para a miniaturização das tecnologias fotônicas, incluindo dispositivos ópticos em micro e nano-escalas.

Um teste de precisão óptica padrão da indústria mostra a resolução das lentes de teste - a barra de escala branca é de 5 micrômetros.
[Imagem: Ryohei Yamada et al. - 10.1038/s41377-024-01725-6]

É possível melhorar quatro vezes

Pela primeira vez, os pesquisadores japoneses criaram placas zonais de Fresnel por meio de um processo de poucas etapas, usando um equipamento industrial.

"Desenvolvemos um método simples e de produção em massa para placas zonais de Fresnel usando um sistema de litografia de semicondutores comum, ou stepper," disse o professor Kuniaki Konishi. "Isso se deve a um tipo especial de fotorresiste, ou máscara, chamado resiste colorido, que foi originalmente projetado para uso como filtros de cor. Simplesmente revestindo, expondo e revelando esse material, produzimos lentes capazes de focar luz visível até apenas 1,1 micrômetro, cerca de 100 vezes mais fino do que um fio de cabelo humano."

Além disso, as simulações da equipe mostraram que é possível ir além dos seus protótipos, projetando lentes para aplicações específicas, como na medicina, em dispositivos de raios X, biochips e microfluídica.

Mas nem tudo está pronto para ir para a indústria. As placas zonais de Fresnel têm uma eficiência da captura da luz de apenas 7%, o que significa que elas produzem imagens borradas. Mas a equipe já tem planos traçados para melhorar essa eficiência em quatro vezes, mudando a maneira como usam os resistes coloridos e acessando equipamentos de fabricação mais precisos do que os que eles dispõem em seu laboratório.

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