Le leggi fisiche di ottica e fotonica possono essere utilizzate per modellare la propagazione della luce. Le ottiche riflettenti e rifrattive convenzionali, note anche come ottiche geometriche, descrivono la luce come un raggio che può essere riflesso, rifratto, diffuso o assorbito da materiali ottici (come vetro lucido, plastica satinata colorata, pelle umana, vernice bianca opaca, eccetera).

Al contrario, l'ottica diffrattiva descrive la luce come un'onda elettromagnetica. La diffrazione della luce si verifica quando le onde luminose incontrano microstrutture (elementi micro-ottici) o aperture di dimensioni comparabili alla propria lunghezza d'onda. Quando la luce si diffonde attraverso queste strutture, che possono essere di dimensioni di solo centinaia di nanometri, il fascio di luce può essere focalizzato, modellato, reindirizzato o diviso.

Gli elementi ottici che manipolano le proprietà della luce attraverso la diffrazione sono chiamati elementi ottici diffrattivi (DOE, Diffractive Optical Element). Alcuni di questi elementi vengono oggi utilizzati all'interno dell'ottica, come i reticoli di diffrazione, mentre altri sono nuovi e visti come la prossima generazione di lenti ottiche (ad esempio, metasuperfici e metalenti).

Gli elementi ottici diffrattivi offrono un controllo preciso della fase, della polarizzazione e dell'intensità delle onde luminose, rendendole estremamente desiderabili. Sono anche molto più sottili e leggeri rispetto agli elementi ottici rifrattivi tradizionali, il che può ridurre le dimensioni, il peso e il costo dei sistemi ottici.

Esistono molti tipi comuni di DOE utilizzati nella manipolazione delle sorgenti luminose. Questi includono reticoli di diffrazione, lamine a zona di Fresnel, divisori del fascio diffrattivo, modellatori del fascio diffrattivo e diffusori del fascio diffrattivo.

Reticoli di diffrazione

I reticoli di diffrazione sono strutture ottiche realizzate con strutture periodiche molto piccole in cui la distanza tra di esse è piccola quanto una lunghezza d'onda della luce (ovvero nell'intervallo di micrometri o nanometri). Queste strutture possono reindirizzare la luce incidente in più direzioni spaziali, denominate ordini di diffrazione. I reticoli di diffrazione vengono utilizzati in molte applicazioni, dalla spettroscopia agli occhiali per realtà aumentata (AR). 

Esistono due tipi di reticoli di diffrazione:

• Reticoli di scarico della superficie (SRG)
• Reticoli olografici di volume (VHT)

I reticoli di scarico della superficie contengono piccole scanalature periodiche fabbricate meccanicamente mediante tornitura a diamante, stampa 3D o litografia. Le scanalature di ciascun tipo di reticolo sono diverse, consentendo ai progettisti di personalizzare il reticolo in base all'applicazione e all'intervallo di lunghezza d'onda previsti. Queste scanalature sono responsabili della manipolazione della luce. Modificando periodicità e struttura cambia l'efficienza di diffrazione del reticolo e l'ordine di diffrazione. Ciò consente un migliore controllo durante la manipolazione della luce.

I reticoli olografici di volume vengono fabbricati registrando una struttura olografica all'interno di un materiale fotosensibile. In primo luogo, un materiale fotosensibile (ossia, un polimero o un vetro) viene esposto a una struttura di interferenza creata da due fasci laser coerenti. Questo forma una modulazione tridimensionale dell'indice di rifrazione all'interno del materiale del substrato.

Quando la luce colpisce il reticolo in uno degli angoli di registrazione originali, riproduce il secondo fascio di registrazione utilizzato durante il processo. La larghezza di banda della risposta dipende dal materiale, dall'indice di modulazione e dallo spessore del reticolo.

Lamine a zona di Fresnel

Le lamine a zona di Fresnel sono costituite da reticoli circolari con una densità di linea in aumento radiale (ovvero, anelli che si avvicinano sempre più al bordo esterno). I reticoli concentrici si alternano tra trasparente e opaco. La luce che colpisce l'anello trasparente viene trasmessa, mentre la luce che colpisce l'anello opaco viene diffratta. La spaziatura tra gli anelli determina il modo in cui la luce diffratta interferisce, focalizzandola per formare un'immagine. Le lamine a zona di Fresnel possono essere utilizzate su diverse lunghezze d'onda, rendendole utili in molte applicazioni come l'imaging a raggi X, la spettroscopia, la fotografia e i telescopi.

Divisori del fascio diffrattivo

I divisori del fascio diffrattivo sono reticoli che suddividono un fascio luminoso incidente in più output di fascio od ordini di diffrazione. Ogni fascio di output mantiene le stesse caratteristiche ottiche del fascio di input. Questi dispositivi sono generalmente utilizzati con luce monocromatica in dispositivi come i fasci laser e sono progettati per specifiche lunghezze d'onda e angoli di diffrazione.  

Modellatori di fascio diffrattivo

I modellatori di fascio diffrattivo modificano il profilo di fase e l'intensità dei fasci laser con un profilo di intensità gaussiana, ovvero uno schema di luminosità in cui il fascio è più forte al centro e diminuisce gradualmente verso i bordi in una curva uniforme. I modellatori di fascio diffrattivo manipolano le caratteristiche del fascio di input per modificare la forma del fascio di output. L'output è solitamente circolare o rettangolare, ma è possibile ottenere anche altri profili di geometria del fascio. I modellatori di fascio diffrattivo vengono utilizzati in litografia, illuminazione olografica, sensori ottici, applicazioni biomediche e lavorazione di materiali laser.

Diffusori diffrattivi

Anche i diffusori diffrattivi convertono un fascio laser incidente in più fasci di output, ma la differenza principale è che questi fasci si sovrappongono e interferiscono tra loro per creare una distribuzione omogenea. Generalmente sono costituiti da schemi specifici di microstrutture che determinano la diffrazione e la distribuzione della luce. Gli ingegneri possono progettare queste strutture micrometriche per ottenere schemi di illuminazione distinti (ad esempio, circolari, quadrati o trasversali).

I diffusori diffrattivi vengono utilizzati per omogeneizzare una sorgente luminosa e diffondere un fascio più stretto in una gamma più ampia di angoli senza le limitazioni dei tradizionali componenti ottici rifrattivi. Le applicazioni includono sistemi di visione artificiale per fornire un'illuminazione uniforme per una migliore acquisizione delle immagini, display per migliorare gli angoli di visualizzazione, LiDAR flash per distribuire i fasci laser in modo uniforme su un'ampia area e LiDAR di scansione per controllare la diffusione del fascio laser, nota anche come angolo di diffusione. 

Insieme agli elementi ottici diffrattivi consolidati, sta emergendo una nuova classe di componenti ottici diffrattivi avanzati che rappresentano la prossima generazione di tecnologia ottica. Questi vengono creati utilizzando tecniche di fabbricazione di semiconduttori avanzata, come nanoimprintig e litografia. Due dei più importanti elementi ottici diffrattivi oggi sono le metalenti e gli accoppiatori a griglia per circuiti fotonici integrati (PIC, Photonic Integrated Circuit).

Metalenti

Le metalenti sono composte da milioni di meta-atomi, strutture in nanoscala con forme e dimensioni variabili, posizionate su un substrato per formare una lente. Le dimensioni e la posizione dei meta-atomi sulla superficie cambiano il modo in cui le onde luminose vengono reindirizzate. Le metalenti rappresentano un'alternativa molto sottile alle lenti ingombranti tradizionali, poiché sono sottili come una ciocca di capelli e molto più compatte. Sono incredibilmente leggere, il che le rende ideali per i dispositivi portatili. Inoltre, le metalenti possono essere prodotte utilizzando processi e apparecchiature già utilizzate per i chip di semiconduttori che producono massa.

Le metalenti possono anche mettere a fuoco o filtrare specifici colori o lunghezze d'onda, riducendo significativamente l'aberrazione cromatica. Questi vantaggi rendono le metalenti una promettente alternativa alle lenti rifrattive tradizionali in molte applicazioni, tra cui sistemi di proiezione negli occhiali per realtà aumentata, lenti di imaging/proiezione a doppia via sottili e compatte per endoscopi e fotocamere per imaging in telefoni cellulari e droni.

Accoppiatori a griglia per circuiti fotonici integrati

Un'altra area è l'ottica in co-packaging, che descrive un sistema integrato composto da componenti ottici e silicio su un substrato confezionato. L'ottica in co-packaging ha il compito di affrontare le sfide di potenza e larghezza di banda dell'elettronica moderna ed è considerata una pietra miliare per lo sviluppo di circuiti fotonici integrati. Alcune applicazioni chiave sono realtà aumentata, realtà virtuale, sensori di immagine e comunicazioni ottiche.

L'ottica in co-packaging consente di accoppiare due guide d'onda di diverse dimensioni (un input e un output), in cui la luce viene trasferita da una guida d'onda all'altra con bassa attenuazione o perdita di segnale minima. Si prevede che tali accoppiamenti diventeranno parte fondamentale dei circuiti fotonici integrati, sostituendo i componenti elettronici con componenti fotonici. In futuro i circuiti fotonici integrati saranno molto ricercati perché la luce viaggia più velocemente rispetto alla velocità di un elettrone, il che significa che teoricamente i circuiti potrebbero funzionare molto più velocemente con velocità di trasferimento dati più elevate.

La complessità e la scala ridotta degli elementi ottici diffrattivi li rendono candidati ideali per il software di simulazione elettromagnetica 3D. Ad esempio, con le metalenti, le simulazioni possono aiutare i ricercatori a esaminare la posizione e le dimensioni dei meta-atomi per simulare la diffrazione della luce in diverse disposizioni. Le simulazioni possono aiutare i progettisti ad analizzare la distribuzione del campo, i modelli di emissioni in campo lontano e le modifiche nei fronti d'onda quando vengono manipolati da un componente ottico diffrattivo.

Suite Ansys Lumerical, software Ansys Speos e software Ansys Zemax OpticStudio possono simulare i componenti ottici diffrattivi. I singoli componenti possono essere progettati utilizzando i solver FDTD e RCWA della suite Lumerical e le prestazioni di un DOE possono essere analizzate con il software OpticStudio. Questi pacchetti software consentono di simulare contemporaneamente una singola lente o più lenti.

Progettazione e simulazione di una metalente

Il software di simulazione può mostrare come la luce passa attraverso una metalente con diverse disposizioni e dimensioni di meta-atomi e poi esportare i dati di progettazione per la fabbricazione. Queste simulazioni possono essere utilizzate per sviluppare lenti per applicazioni di realtà aumentata e proiettori compatti. Le configurazioni multi-GPU del software Ansys possono accelerare le prestazioni di simulazione combinando la memoria e la potenza di elaborazione di diverse GPU, consentendo di simulare grandi sistemi di metalenti contenenti milioni di meta-atomi.

Simulazione di ottica in co-packaging

Le simulazioni di ottica in co-packaging dalla suite Lumerical possono modellare la propagazione della luce attraverso una guida d'onda e dimostrare come la sua forma sia importante per dividere e indirizzare le onde luminose. Questi modelli digitali illustrano in che modo l'ottica in co-packaging può supportare lo sviluppo di circuiti fotonici integrati. Le simulazioni ottiche possono inoltre aiutare i progettisti a valutare in che modo i reticoli di diffrazione possono accoppiare la luce nelle guide d'onda e mostrare come la propagazione delle onde può essere modificata per adattarsi alla forma e alle dimensioni delle successive guide d'onda. Inoltre, possono modellare il modo in cui i fronti d'onda possono essere combinati per formare una struttura specifica.

Progettazione in-out dell'accoppiatore a griglia di ottica in co-packaging

Le metalenti e l'ottica in co-packaging supportano lo sviluppo di numerosi progressi tecnologici, tra cui:

• Telefoni cellulari e fotocamere più sottili e compatte
• Metasuperfici in grado di sostituire gli array di microlenti di sensori di immagine CMOS e i filtri a colori Bayer
• Occhiali per realtà aumentata luminosi e compatti con un'immagine più luminosa e nitida
• Componenti fotonici in grado di sostituire i componenti elettronici tradizionali per una comunicazione più rapida
• Tecnologie ottiche per l'assistenza sanitaria avanzate, tra cui microscopia a scansione laser confocale, tomografia a coerenza ottica (OCT, Optical Coherence Tomography), endoscopi e lenti intraoculari

Gli strumenti software Ansys aiutano le aziende a migliorare i progetti molto prima dell'inizio della fabbricazione. Strumenti come la suite Lumerical che supportano la progettazione di componenti ottici diffrattivi sono già diffusi tra i vari istituti accademici e vengono utilizzati da molte aziende globali per migliorare i propri prodotti.

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