Los investigadores utilizaron su nuevo enfoque de fabricación para crear varias estructuras que combinaban vidrio IR de calcogenuro con vidrio de sílice fundido. Estos incluían un conjunto de pilares con diferentes dimensiones. Un rectángulo de puntos blancos en la imagen de arriba indica la cavidad de sílice más pequeña utilizada en este trabajo. Crédito:Yves Bellouard, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
Los investigadores han desarrollado un nuevo proceso de fabricación que permite combinar el vidrio infrarrojo (IR) con otro vidrio y darle formas complejas en miniatura. La técnica se puede utilizar para crear ópticas infrarrojas complejas que podrían hacer que la detección y las imágenes IR sean más accesibles.
"El vidrio que transmite longitudes de onda IR es esencial para muchas aplicaciones, incluidas las técnicas de espectroscopia utilizadas para identificar diversos materiales y sustancias", dijo el líder del equipo de investigación, Yves Bellouard, de la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en Suiza. "Sin embargo, los vidrios infrarrojos son difíciles de fabricar, frágiles y se degradan fácilmente en presencia de humedad".
En la revista Optics Express , los investigadores describen su nueva técnica, que se puede utilizar para incrustar frágiles gafas IR dentro de una matriz de sílice duradera. El proceso se puede utilizar para crear prácticamente cualquier forma 3D interconectada con características que miden una micra o menos. Funciona con una amplia variedad de vidrios, ofreciendo una nueva forma de afinar las propiedades de la óptica 3D con sutiles combinaciones de vidrio.
"Nuestra técnica podría abrir la puerta a una gama completamente nueva de nuevos dispositivos ópticos porque se puede utilizar para fabricar circuitos ópticos infrarrojos y microópticas IR de formas arbitrarias que antes no eran posibles debido a la escasa capacidad de fabricación del vidrio IR", dijo Enrico. Casamenti, primer autor del artículo. "Estas ópticas podrían usarse, por ejemplo, para aplicaciones de detección y espectroscopia o para crear una cámara IR lo suficientemente pequeña como para integrarla en un teléfono inteligente".
Fusión de materiales
El nuevo proceso de fabricación surgió de un trabajo anterior en el que el equipo de investigación de Bellouard colaboró con el equipo de Andreas Mortensen, también de la EPFL, para desarrollar un método para formar metales altamente conductores dentro de un sustrato de sílice 3D aislante.
El equipo también fabricó el logotipo de la EPFL para mostrar cómo se puede utilizar el método para crear formas 3D complejas. La imagen superior muestra una iluminación de campo oscuro y la inferior muestra una iluminación de campo brillante. Crédito:Yves Bellouard, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
"Nuestro equipo comenzó a buscar formas innovadoras de lograr el confinamiento de luz de banda ancha en circuitos ópticos 3D de forma arbitraria", dijo Bellouard. "Fue entonces cuando decidimos explorar la posibilidad de modificar un proceso que demostramos por primera vez usando metal para que pudiera usarse para producir estructuras que combinan dos tipos de vidrio".
Para el nuevo enfoque, los investigadores comienzan creando una cavidad 3D de forma arbitraria dentro de un sustrato de vidrio de sílice fundido utilizando grabado químico asistido por láser de femtosegundos. Esto utiliza el haz pulsado de un láser de femtosegundo, que se puede enfocar en un punto de aproximadamente un micrómetro de ancho, para alterar la estructura del vidrio de una manera que permita eliminar las áreas expuestas con un químico como el ácido fluorhídrico.
Una vez hecho esto, la pequeña cavidad debe rellenarse con otro material para crear una estructura compuesta. Los investigadores lograron esto mediante el uso de una versión miniaturizada de fundición asistida por presión, en la que se funde un segundo material y se presuriza para que pueda fluir y solidificarse dentro de la red de cavidades de sílice tallada. El segundo material puede ser un metal, vidrio o cualquier material con un punto de fusión por debajo del sustrato de sílice tallada y que no reaccione con el vidrio de sílice.
Creación de ópticas complejas
"Nuestro método de fabricación se puede utilizar para proteger el vidrio IR, abriendo nuevas vías para los circuitos ópticos infrarrojos a microescala que están completamente integrados en otro sustrato de vidrio", dijo Bellouard. "Además, debido a que la sílice fundida y el calcogenuro ofrecen un alto contraste de índice de refracción, podemos convertir estos materiales en guías de ondas IR que pueden transmitir luz de manera muy similar a las fibras ópticas".
Los investigadores demostraron el nuevo método mediante la creación de varias formas complejas, incluido un logotipo de la EPFL, utilizando vidrio IR de calcogenuro y un sustrato de vidrio de sílice. También demostraron, con la ayuda de colegas de ETH Zurich, que algunas de las estructuras que crearon podrían usarse efectivamente para guiar la luz del IR medio emitida por un láser de cascada cuántica a 8 micrones. Hay pocos componentes ópticos disponibles para este rango espectral debido a los desafíos de fabricación.
Continúan explorando las capacidades del nuevo proceso en términos de combinación de diferentes vidrios y planean probar las piezas compuestas en espectroscopia y otras aplicaciones. Científicos imprimen con éxito óptica de vidrio
