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Fibra di vetro ottica ottimizzata mediante stampa 3D

Ottenuta dalla nanostampa 3D di una lente ottica che è stata applicata all'estremità della fibra

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Un team interdisciplinare di ricercatori provenienti da Corea, Australia, Gran Bretagna e Germania – con la partecipazione del Leibniz Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) – è stato in grado, per la prima volta, di ottimizzare una fibra di vetro ottica in modo tale che la luce di diverse lunghezze d’onda possa essere focalizzata in modo estremamente preciso. Questo livello di precisione è stato ottenuto mediante la nanostampa 3D di una lente ottica, che è stata applicata all’estremità della fibra. Ciò apre nuove possibilità per applicazioni in microscopia ed endoscopia, nonché nella terapia laser e nella tecnologia dei sensori.

Le lenti sulle facce terminali delle fibre ottiche attualmente utilizzate in endoscopia per la diagnostica medica presentano lo svantaggio dell’aberrazione cromatica. Questo errore di imaging dell’ottica (causato dal fatto che la luce di diverse lunghezze d’onda, cioè diversi colori spettrali, è modellata e rifratta in modo diverso) porta a uno spostamento del punto focale e quindi a una sfocatura nell’imaging su un’ampia gamma di lunghezze d’onda. Le lenti acromatiche, che possono ridurre al minimo queste aberrazioni ottiche, offrono una soluzione a questo.

Tale lente acromatica, una cosiddetta metalente, che è fissata all’estremità di una fibra ottica e consente la messa a fuoco e l’imaging di minimi dettagli con l’imaging della profondità di campo, è stata ora realizzata, per la prima volta, dal squadra internazionale. “Per un’ideale modellatura della luce e una messa a fuoco acromatica, abbiamo realizzato una lente ultrasottile a base di polimeri, che consiste in un complesso disegno di strutture geometriche sotto forma di nanopillari. Questa struttura è stata stampata direttamente sulla punta di una struttura a torre cava stampata in 3D su una delle facce terminali di una fibra ottica commerciale. In questo modo, le fibre ottiche possono essere funzionalizzate in modo tale che la luce possa essere focalizzata in modo molto efficiente su un punto focale e possano essere generate immagini ad alta risoluzione”, ha spiegato il Prof. Dr. Markus Schmidt, capo del Dipartimento di Fotonica Fibre di Leibniz IPHT.

La meta lente ha un diametro della lente di 100 micrometri e un’apertura numerica (NA) di 0,2, che è significativamente più alta rispetto alle lenti acromatiche utilizzate in precedenza sulle estremità delle facce delle fibre, e quindi raggiunge una migliore risoluzione. L’obiettivo consente di correggere le alterazioni ottiche e di focalizzare la luce in una larghezza di banda spettrale di 400 nanometri nella gamma dell’infrarosso, in modo molto preciso. “È straordinario che i singoli nanopillari abbiano altezze diverse che vanno da 8,5 a 13,5 micrometri. Ciò consente di focalizzare le diverse lunghezze d’onda della luce su un unico punto focale”, ha affermato il Prof. Dr. Markus Schmidt.

In studi sperimentali, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare l’efficienza della lente e della messa a fuoco delle fibre ottiche sviluppate utilizzando l’imaging a scansione confocale basato su fibra come esempio: utilizzando una fibra con meta-ottica acromatica, il team ha ottenuto una qualità dell’immagine convincente con un’elevata acquisizione dell’immagine efficienza ed elevato contrasto dell’immagine a diverse lunghezze d’onda. Le posizioni di messa a fuoco sono rimaste pressoché costanti.

“Poiché la meta lente nanostrutturata sviluppata è estremamente piccola e piatta, un design in fibra ottica con ottica acromatica nella parte superiore offre il potenziale per far avanzare ulteriormente i sistemi di imaging endoscopico miniaturizzati e flessibili basati sulla tecnologia delle fibre e per consentire esami minimamente invasivi ancora più delicati”, ha affermato il Prof. Dr. Markus Schmidt, spiegando un possibile scenario applicativo. Oltre a questa principale area di applicazione, i ricercatori vedono ulteriori aree di applicazione nel campo della terapia e chirurgia laser assistita, della comunicazione in fibra ottica e della tecnologia dei sensori in fibra.

La metalente realizzata sulla faccia terminale di una fibra ottica è il risultato di una collaborazione congiunta e internazionale tra i ricercatori della Monash University di Melbourne, Australia, Ludwig-Maximilians-Universität München, Germania, Pohang University of Science and Technology, Corea, Università a Jena, Germania, POSCO-POSTECH-RIST Convergence Research Center for Flat Optics and Metaphotonics a Pohang, Corea, Imperial College London, UUK e Leibniz IPHT.

I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Nature Communications.

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