Las lentes son casi tan antiguas como la propia civilización. Los antiguos egipcios, griegos y babilonios desarrollaron lentes con cuarzo pulido y las emplearon para lograr aumentos sencillos. Más tarde, los científicos del siglo XVII combinaron distintas lentes para hacer telescopios y microscopios, instrumentos que cambiaron nuestra visión del universo y nuestra posición dentro de él.

Ahora las lentes están se están reinventando otra vez gracias a la fotolitografía, que talla características de longitud de onda en láminas de vidrio planas. El investigadorde la Universidad de Harvard en Massachusetts (EEUU) Alan She y y sus compañeros acaban de demostrar organizar estas características para que dispersen la luz con un control nunca visto. Afirman que las "metalentes" resultantes están listas para revolucionar las imágenes y marcar el comienzo de una nueva era de procesamiento óptico.

Fabricar lentes siempre ha sido complicado. En general, se vierte vidrio fundido o dióxido de silicio en un molde que permite que se fragüe antes de molerlo y pulirlo hasta lograr la forma requerida. Se trata de un proceso lento y muy distinto al que se sigue para fabricar los componentes sensibles a la luz de los microchips.

Foto: las metalentes se tallan sobre obleas de dióxido de silicio en un proceso como el que se usa para fabricar chips de silicio.

Así que disponer de un proceso similar para hacer lentes para chips resultaría enormemente útil. Permitiría que las lentes se pudieran fabricar en las mismas plantas que otros componentes microelectrónicos, e incluso al mismo tiempo.

Lo que ha hecho el equipo de She es demostrar que este proceso ya es posible. La idea clave consiste en manipular pequeñas características, más pequeñas que la longitud de onda de la luz. Por ejemplo, la luz blanca se puede dividir en sus colores componentes reflejándola en una superficie con un conjunto de zanjas paralelas talladas a la misma escala que la longitud de onda de la luz, llamadas redes de difracción.

Foto: las metalentes pueden producir imágenes de alta calidad.

Los físicos llevan jugando con ellas desde hace siglos. Pero la fotolitografía permite llevar la idea mucho más allá al crear una gama más amplia de características con orientaciones y formas variadas.

Desde la década de 1960, la fotolitografía ha producido características cada vez más pequeñas en los chips de silicio. En 1970, esta técnica permitía esculpir formas en silicio a una escala de alrededor de 10 micrómetros. En 1985, el tamaño de la característica había caído hasta un micrómetro y, en 1998, bajó hasta los 250 nanómetros. Hoy en día, la industria de los chips tiene características de alrededor de 10 nanómetros de tamaño.

La luz visible tiene una longitud de onda de 400 a 700 nanómetros, por lo que la industria de los chips ha podido producir características de este tamaño durante un tiempo. Pero no ha sido hasta hace poco cuando los investigadores han empezado a estudiar cómo se pueden organizar estas características en láminas planas de dióxido de silicio para crear metalentes que curven la luz.

El proceso comienza con una oblea de dióxido de silicio sobre la que se deposita una fina capa de silicio cubierta con un patrón fotorresistente. El silicio de abajo se corta con luz ultravioleta. Al lavar el resto del material fotorresistente se obtiene el silicio no expuesto con la forma deseada.

El equipo de She utilizó este proceso para crear una matriz periódica de columnas de silicio sobre vidrio que dispersan la luz visible a medida que pasa. Y al controlar cuidadosamente el espacio entre las columnas, el equipo puede enfocar la luz.

Las separaciones específicas de las columnas determinan las propiedades ópticas precisas de esta lente. Por ejemplo, los investigadores pueden controlar la aberración cromática para determinar dónde se enfoca la luz de diferentes colores.

En las lentes de imagen, la aberración cromática debe minimizarse; de ​​lo contrario, producirá las franjas de colores alrededor de los objetos que se ven a través de cualquier telescopio de juguete Pero en los espectrógrafos, diferentes colores deben enfocarse en diferentes lugares. El equipo de She puede hacer ambas cosas.

Estas lentes tampoco sufren de aberración esférica, un problema común con las lentes tradicionales causadas por su esférica forma tridimensional. Las metalentes no tienen este problema porque son planas. De hecho, son similares a las "lentes ideales" teóricas que los alumnos de física estudian durante asignaturas de óptica. Por supuesto, hace décadas que los físicos son capaces de hacer lentes planas, como las de Fresnel. Pero siempre han resultado difíciles de producir.

El avance clave aquí es que las metalentes, ya que se pueden fabricar de la misma manera que los microchips, pueden ser fabricadas en masa con características de superficie de longitud de onda inferior. El equipo de She produjo docenas de ellas sobre una sola oblea de silicio. Cada una de estas lentes tiene menos de un micrómetro de grosor, con un diámetro de 20 milímetros y una distancia focal de 50 milímetros.

La investigación detalla: "Prevemos una transición de fabricación desde el uso de la óptica mecanizada o moldeada a la óptica con diseño litográfico, que permite producir en masa a una escala y con una precisión similares a los chips de circuito integrado".

Y todo esto puede hacerse con la misma tecnología necesaria para fabricar chips, que existe desde hace más de una década. Eso dará a una segunda oportunidad a las viejas plantas de fabricación. "El equipamiento de vanguardia es útil, pero no necesariamente obligatorio", asegura el equipo.

Las metalentes tienen una amplia gama de aplicaciones. La más obvia es la imagen. Las lentes planas harán que los sistemas de imágenes sean más delgados y sencillos. Pero, lo más importante, dado que las metalentes pueden fabricarse mediante el mismo proceso que los componentes electrónicos para detectar la luz, serán más baratas.

Por lo tanto, las cámaras de smartphone, ordenadores portátiles y los sistemas de imágenes de realidad aumentada se volverán más pequeños y baratos. Incluso podrían imprimirse en el extremo de las fibras ópticas para actuar como endoscopios.

Los astrónomos también podrían divertirse. Estas lentes son significativamente más ligeras y delgadas que los monstruos en órbita de los observatorios como el Telescopio Espacial Hubble. Nos espera una nueva generación de astronomía basada en el espacio y observación de la Tierra.

Pero donde esta tecnología podría tener el mayor impacto es dentro de los chips. La técnica permite construir sistemas complejos de tipo banco óptico en chips para el procesamiento óptico.

Y hay más avances en el horizonte. Una posibilidad es cambiar las propiedades de las metalentes en tiempo real usando campos eléctricos. Eso aumenta la posibilidad de lentes que cambien la distancia focal con el voltaje,  o, de forma más importante, que cambien la luz.

Ref: arxiv.org/abs/1711.07158: Large Area Metalenses: Design, Characterization, and Mass Manufacturing