Lente fototérmica adaptativa

Jon Shon Donner

Dr. Romain Quidant

Nanoóptica Plasmon (Dr. Romain Quidant)

Con la reciente introducción de tecnologías ópticas en grandes mercados, como el almacenamiento de datos, la imagen y la telefonía móvil, existe un creciente interés en microelementos ópticos reconfigurables para la gestión de señales ópticas a pequeña escala. En este contexto, hemos desarrollado una novedosa tecnología que permite transformar cualquier lente óptica fija en una lente adaptable y ajustable con un rendimiento sin precedentes. La capacidad de cambiar dinámicamente el enfoque de una lente fija es muy solicitada en diversos segmentos comerciales para una amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, en el sector sanitario, un procedimiento común en los hospitales es realizar escaneos de muestras biológicas. A menudo, las muestras no son planas, lo que requiere ajustar el enfoque de la imagen, lo que prolonga los escaneos y requiere equipos mecánicos para mover la muestra físicamente. Nuestra tecnología aborda este problema centrándose en la compleja superficie 3D de interés de la muestra biológica, eliminando la necesidad de múltiples escaneos y equipos costosos. En el campo de la fabricación aditiva, una técnica de impresión 3D consiste en utilizar una materia prima blanda que se endurece mediante un rayo láser. Actualmente, es necesario modificar la altura de la muestra impresa para esculpir las diferentes capas, lo cual es un proceso lento y requiere maquinaria voluminosa. Nuestra tecnología busca solucionar este problema ajustando el punto de enfoque del haz láser de forma rápida, dinámica y continua. En el sector aeroespacial, debido a las condiciones ambientales extremas, las lentes ópticas suelen presentar problemas de deformación, lo que induce aberraciones y otros defectos ópticos. Nuestra tecnología puede ofrecer una solución ligera y duradera a este problema mediante el ajuste local del enfoque y la trayectoria de la luz para corregir las aberraciones inducidas. De hecho, los elementos ópticos reconfigurables que permiten el control dinámico de las trayectorias ópticas son componentes importantes de la última generación de dispositivos ópticos comerciales. En este contexto, se desarrollaron diversos enfoques de microlentes ópticas reconfigurables basados en la conformación de la superficie de una gota de líquido mediante hidrogeles con pH ajustable, la regulación de la presión de superficies poliméricas y cristales líquidos con índice de refracción ajustable. Si bien estas estrategias han demostrado ser una forma eficaz de ajustar el enfoque, presentan diversas limitaciones, como la dificultad de integración en dispositivos complejos o pequeños, su lentitud (generalmente de pocos ms) y la falta de robustez en algunos casos para su funcionamiento en entornos comerciales. Un elemento reconfigurable comercial ampliamente utilizado es el espejo deformable, cuya superficie puede deformarse dinámicamente mediante tecnología MEMS. Con un tiempo de respuesta del orden de 100 μs, esta tecnología ha contribuido significativamente al campo de la óptica adaptativa, con aplicaciones especialmente en astronomía y microscopía. Sin embargo, una de las principales desventajas de esta tecnología es que el espejo solo funciona en modo de reflexión, lo que limita su uso en algunos sistemas. Para responder a la apremiante necesidad de un elemento óptico transparente y reconfigurable de rápida configuración, desarrollamos la lente térmica ajustable. El principio físico subyacente es que la trayectoria de la luz depende en gran medida del índice de refracción del medio. Diseñamos el mapa de temperatura del medio, que a su vez modifica el mapa del índice de refracción, modificando así la forma en que la luz viaja a través del sistema. Este principio es bien conocido y se puede encontrar en libros de texto de física. Sin embargo, estas leyes físicas básicas aún no se han utilizado para controlar, enfocar y redirigir la luz de forma predeterminada. La novedad y el potencial comercial de aprovechar este proceso físico fundamental para controlar la trayectoria de la luz han impulsado a nuestro instituto a solicitar dos patentes basadas en la lente fototérmica adaptativa (APT). En concreto, las nanoestructuras metálicas se sumergen en un material termoóptico y sirven como fuentes de calor eficientes controladas a distancia cuando se gestionan óptica o eléctricamente. Estas nanoestructuras presentan una alta transparencia para la luz que atraviesa el sistema1. La distribución de temperatura dentro del material termoóptico modifica localmente el índice de refracción, creando así un elemento óptico adaptativo que puede integrarse en la trayectoria óptica de cualquier lente convencional. Al modificar la señal de control óptica o eléctrica, los parámetros del sistema de imagen global pueden ajustarse con precisión. Además, la estrategia propuesta, basada en el calentamiento a microescala, permite tiempos de conmutación extremadamente rápidos, muy superiores a los disponibles actualmente con las tecnologías existentes. Para ilustrar el potencial de nuestro enfoque, lo validamos en el marco de la microscopía y la óptica adaptativa. Para demostrar la viabilidad y el tiempo de comercialización de esta tecnología, se creó un prototipo de chip. El chip se fabricó en la sala blanca del ICFO, utilizando tecnologías compatibles comercialmente y fácilmente escalables para una producción económica en grandes volúmenes. El chip se incorporó a un microscopio comercial como módulo adicional. De esta forma, demostramos el nivel de madurez tecnológica de TRL 52. Con este prototipo, buscamos demostrar la aplicabilidad de la lente APT como elemento óptico adaptativo para microscopía. Como se mencionó anteriormente, con la APT, es posible variar no solo la distancia focal de toda la lente, sino también seleccionar de forma fácil y dinámica la ubicación del área de lente dentro del campo de visión. Una señal de control se envía a diferentes regiones de la lente APT. En esta configuración, el tamaño de la lente térmica y el área de calentamiento se definen por el tamaño y la ubicación de la señal de control. Como ejemplo de uso, utilizamos una muestra tridimensional compuesta por diferentes letras con una longitud típica de 50 μm y ubicadas en diferentes planos Z. En la figura 5.a, la muestra se enfoca inicialmente en la letra "C". Posteriormente, se registra la imagen óptica para diferentes posiciones y tamaños de la señal de control, indicada por un cuadrado rojo en las figuras 5b y c. En la región donde se activa la lente APT, el plano focal de la imagen se desplaza localmente, lo que provoca un desenfoque de las letras en esa región. De hecho, mientras que el contorno de las letras "ICFO" puede resolverse individualmente en la figura 5.a, aparecen borrosas en las figuras 5.b y c (letras "C" y "CF", respectivamente). Además de esta muestra artificial 3D, también se muestra en las figuras 5.d y e otro experimento de prueba de concepto en el que se utiliza la lente APT para obtener imágenes de una célula viva. El aumento de la potencia NIR en la región izquierda de la célula B16-F10 permite explorar diferentes detalles de la morfología celular. Este tipo de uso se identificó como pertinente para diferentes aparatos ópticos médicos, donde se requieren escaneos de muestras 3D, algo muy común en hospitales, como se mencionó anteriormente. Confiamos en que este trabajo sienta las bases de una técnica canónica que podría utilizarse de forma rutinaria en una amplia gama de dispositivos ópticos. Esto se ve confirmado por el entusiasmo de varias importantes empresas de óptica (Hamamatsu, Nikon, INDO, etc.). En particular, la interacción con una de estas empresas, Hamamatsu, se ha visto potenciada por la participación en el programa EDI, coordinado por el FCRI, cuyo objetivo es facilitar la comercialización de tecnologías desarrolladas en el ámbito académico. En este programa, la tecnología base desarrollada se orientó y redefinió para satisfacer las necesidades específicas del mercado. De hecho, el prototipo desarrollado se diseñó y fabricó teniendo en cuenta los requisitos comerciales. Nuestra intención actual es seguir trabajando en este prototipo para fomentar el interés de las empresas. Además, las dos solicitudes de patente basadas en esta tecnología contribuirán a su comercialización de forma rápida y eficiente.

Principales logros:  Capacidad para transformar cualquier lente óptica fija en una lente adaptable y ajustable.  Pequeño, rápido y controlable mediante una señal óptica o eléctrica.  Se desarrolló un prototipo básico (TRL 5) y se evaluó la posibilidad de fabricación a bajo coste.  Se despertó el interés de numerosas empresas de diferentes sectores. Algunas han confirmado su disposición a explorar posibles acuerdos comerciales.  Se han presentado dos solicitudes de patente.

Tecnología de lentes adaptativas; Enfoque óptico dinámico; Enfoque óptico preciso; Modulación del índice de refracción; Gradientes térmicos localizados; Lente óptica fija; Elemento óptico reconfigurable; Imagenología biomédica; Fabricación aditiva; Industria aeroespacial; Estructuras metálicas de nanoingeniería; Materiales termoópticos; Estímulos ópticos; Estímulos eléctricos; Efectos de lente rápidos; Efectos de lente transparentes; Efectos de lente ajustables; Sin movimiento mecánico; Sistemas de cristal líquido; Espejos deformables; Tiempos de respuesta más rápidos; Óptica en modo de transmisión; Dispositivo prototipo; Técnicas de microfabricación escalables; Integración de microscopios comerciales; Imagenología adaptativa en tiempo real; Muestras 3D complejas; Células vivas; Validación de tecnología; TRL 5; Empresas de óptica; Hamamatsu; Programa de transferencia de tecnología EDI; Solicitudes de patente; Comercialización