Lent fototèrmica adaptativa

Jon Shon Donner

Dr. Romain Quidant

Nanoòptica Plasmon (Dr. Romain Quidant)

Amb la recent introducció de tecnologies òptiques en grans mercats, com ara l'emmagatzematge de dades, la imatge i els telèfons mòbils, hi ha un interès creixent pels microelements òptics reconfigurables per a la gestió de senyals òptics a petita escala. En aquest context, hem desenvolupat una nova tecnologia que permet transformar qualsevol lent òptica fixa en una lent adaptativa i ajustable amb unes característiques de rendiment sense precedents. La capacitat de canviar dinàmicament l'enfocament d'una lent fixa és molt desitjable en diversos segments comercials diferents per a una àmplia gamma d'aplicacions. Per exemple, en el segment de l'atenció sanitària, un procediment comú als hospitals és realitzar escanejos de mostres biològiques. Sovint les mostres no són planes, i això requereix l'ajust de l'enfocament d'una imatge, cosa que fa que els escanejos siguin llargs i requereixi equips mecànics per moure físicament la mostra. La nostra tecnologia aborda aquest problema centrant-se en la complexa superfície 3D d'interès de la mostra biològica, eliminant la necessitat de múltiples escanejos i equips cars. En el camp de la fabricació additiva, una tècnica d'impressió 3D consisteix a utilitzar un material tou en brut que s'endureix mitjançant un feix làser. Actualment, hi ha la necessitat de canviar l'alçada de la mostra impresa per esculpir les diferents capes, cosa que és lenta i requereix maquinària voluminosa. La nostra tecnologia pretén resoldre això ajustant el punt d'enfocament del feix làser de manera ràpida, dinàmica i contínua. En el segment aeroespacial, a causa de les condicions ambientals extremes, les lents òptiques sovint s'enfronten a un problema de deformació, que indueix aberracions i altres defectes òptics. La nostra tecnologia pot oferir una solució lleugera i duradora a aquest problema ajustant localment l'enfocament i la trajectòria de la llum, per corregir les aberracions induïdes. De fet, els elements òptics reconfigurables que permeten el control dinàmic de les trajectòries òptiques són components importants de l'última generació de dispositius òptics comercials. En aquest context, es van desenvolupar diversos enfocaments de microlents òptiques reconfigurables basats en la modelació de la superfície d'una gota de líquid mitjançant hidrogels regulables en pH, la regulació de la pressió de les superfícies de polímer i cristalls líquids regulables en índex de refracció. Tot i que aquestes estratègies han demostrat ser una manera potent d'ajustar el focus, pateixen diferents limitacions com ara: dificultat per integrar-se en dispositius complexos o petits, lentitud (normalment pocs ms) i algunes no són prou robustes per funcionar en un entorn comercial. Un element reconfigurable comercial àmpliament utilitzat és el mirall deformable, la superfície del qual es pot deformar dinàmicament mitjançant la tecnologia MEMS. Amb una resposta temporal de l'ordre de 100 s, aquesta tecnologia ha contribuït enormement al camp de l'òptica adaptativa amb aplicacions especialment en astronomia i microscòpia. Tanmateix, un dels principals desavantatges d'aquesta tecnologia és que el mirall només funciona en mode de reflexió, un fet que en restringeix l'ús en alguns sistemes. Per respondre a la necessitat urgent d'un element òptic transparent i ràpid reconfigurable, vam desenvolupar la lent tèrmica ajustable. El principi físic subjacent és que la trajectòria de la llum depèn fortament de l'índex de refracció del medi. Dissenyem el mapa de temperatura del medi que després canvia el mapa de l'índex de refracció, canviant la manera com la llum viatja a través del sistema. Aquest principi és ben conegut i es pot trobar als llibres de text de física; Tanmateix, aquestes lleis físiques bàsiques encara no s'han utilitzat per controlar, enfocar i redirigir la llum d'una manera predeterminada. La novetat i la promesa comercial d'aprofitar aquest procés físic fonamental per controlar la trajectòria de la llum han animat el nostre institut a sol·licitar dues patents basades en la lent fototèrmica adaptativa (APT). Amb més detall, les estructures nanometàl·liques estan immerses en un material termoòptic i serveixen com a fonts de calor eficients controlades remotament quan s'adrecen òpticament o elèctricament. Aquestes estructures de mida nanomètrica presenten una alta transparència per a la llum que creua el sistema1. La distribució de la temperatura dins del material termoòptic modifica localment l'índex de refracció, creant així un element òptic adaptatiu que es pot integrar a la trajectòria òptica de qualsevol lent convencional. En modificar el senyal de control òptic o elèctric, es poden ajustar amb precisió els paràmetres del sistema d'imatges general. A més, l'estratègia proposada basada en l'escalfament a microescala permet temps de commutació extremadament ràpids, molt més enllà del que està disponible actualment amb les tecnologies existents. Per il·lustrar el potencial del nostre enfocament, el validem en el marc de la microscòpia i l'òptica adaptativa. Per demostrar la viabilitat i el temps de comercialització d'aquesta tecnologia, es va fabricar un prototip de xip. El xip es va fabricar a la sala blanca de l'ICFO, utilitzant tecnologies que són totes compatibles comercialment i es poden escalar fàcilment per fabricar-les a baix cost en grans volums. El xip es va incorporar dins d'un microscopi comercial com a mòdul "complementari". D'aquesta manera, vam mostrar el nivell de preparació tecnològica del TRL 52. Amb aquest prototip, volíem demostrar l'aplicabilitat de la lent APT com a element òptic adaptatiu per a microscòpia. Com s'ha esmentat anteriorment, utilitzant l'APT, és possible variar no només la distància focal de tota la lent, sinó també seleccionar fàcilment i dinàmicament la ubicació de l'àrea de la lent dins del camp de visió. Un senyal de control es mou a diferents regions de la lent APT. En aquesta configuració, la mida de la lent tèrmica i l'àrea d'escalfament es defineixen per la mida i la ubicació del senyal de control. Com a il·lustració de l'ús, utilitzem una mostra tridimensional composta per diferents lletres amb una longitud típica de 50 μm i situades en diferents plans Z. A la figura 5.a, la mostra està inicialment enfocada a la lletra "C". Posteriorment, enregistrem la imatge òptica per a diferents posicions i mides del senyal de control indicat per un quadrat vermell a les figures 5b i c. A la regió on s'activa la lent APT, el pla focal de la imatge es desplaça localment, cosa que provoca un desenfoque de les lletres d'aquesta regió. De fet, mentre que el contorn de les lletres "ICFO" es pot resoldre individualment a la figura 5.a, apareixen borroses a la figura 5.b i c (lletres "C" i "CF", respectivament). A més d'aquesta mostra artificial en 3D, també mostrem a la figura 5.d i e un altre experiment de prova de concepte en què la lent APT s'utilitza per obtenir imatges d'una cèl·lula viva. L'augment de la potència NIR a la regió esquerra de la cèl·lula B16-F10 ens permet explorar diferents detalls de la morfologia cel·lular. Aquest tipus d'ús es va identificar com a pertinent per a diferents aparells òptics mèdics, on es necessiten escanejos de mostres en 3D, cosa extremadament comuna als hospitals, com s'ha esmentat anteriorment. Estem segurs que aquest treball estableix les bases d'una tècnica canònica que podria utilitzar-se rutinàriament en una àmplia gamma de dispositius òptics. Això ho confirma l'entusiasme de diverses empreses importants d'òptica (Hamamatsu, Nikon, INDO,...). En particular, la interacció amb una d'aquestes empreses, Hamamatsu, s'ha vist reforçada participant en el programa EDI, un programa coordinat per l'FCRI, amb l'objectiu d'ajudar en el camí cap a la comercialització de tecnologies desenvolupades al món acadèmic. Dins d'aquest programa, la tecnologia base desenvolupada es va dirigir i redefinir per satisfer les necessitats específiques identificades del mercat. De fet, el prototip desenvolupat es va dissenyar i fabricar tenint en compte els requisits comercials. La nostra intenció actual és continuar treballant en aquest prototip per assegurar encara més l'interès de les empreses. A més, les dues sol·licituds de patents basades en aquesta tecnologia també ajudaran a comercialitzar aquesta tecnologia d'una manera ràpida i eficient.

Principals assoliments:  Capacitat de transformar qualsevol lent òptica fixa en una lent adaptativa i ajustable.  Petit, ràpid i controlable mitjançant un senyal òptic o elèctric.  S'ha desenvolupat un prototip bàsic (TRL 5) i s'ha avaluat la possibilitat d'una fabricació a baix cost.  Ha despertat l'interès de moltes empreses de diferents sectors. Algunes han confirmat la seva voluntat d'explorar possibles acords comercials.  S'han presentat 2 sol·licituds de patents.

Tecnologia de lents adaptatives; Enfocament òptic dinàmic; Enfocament òptic precís; Modulació de l'índex de refracció; Gradients tèrmics localitzats; Lent òptica fixa; Element òptic reconfigurable; Imatges biomèdiques; Fabricació additiva; Aeroespacial; Estructures metàl·liques nanoenginyeritzades; Materials termoòptics; Estímuls òptics; Estímuls elèctrics; Efectes de lent ràpids; Efectes de lent transparent; Efectes de lent ajustables; Sense moviment mecànic; Sistemes de cristall líquid; Miralls deformables; Temps de resposta més ràpids; Òptica en mode de transmissió; Dispositiu prototip; Tècniques de microfabricació escalables; Integració de microscopis comercials; Imatges adaptatives en temps real; Mostres 3D complexes; Cèl·lules vives; Validació de tecnologia; TRL 5; Empreses d'òptica; Hamamatsu; Programa de transferència de tecnologia EDI; Sol·licituds de patents; Comercialització