Les métalentilles, des nanostructures artificielles capables de manipuler la lumière, offrent une technologie prometteuse pour réduire considérablement la taille et l’épaisseur des composants optiques traditionnels. Particulièrement efficaces dans le proche infrarouge, elles ouvrent la voie à de nombreuses applications telles que le LiDAR, les drones miniatures et les détecteurs de vaisseaux sanguins.
Leur coût de fabrication élevé représente un obstacle majeur à leur commercialisation. Des chercheurs ont récemment développé des méthodes innovantes pour produire en masse ces métalentilles et les fabriquer sur de grandes surfaces, réduisant ainsi leur coût de production.
Une collaboration scientifique fructueuse
Une équipe de recherche collaborative, composée de professeurs et de doctorants de l’Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH) et de l’Université de Corée, a proposé deux méthodes novatrices pour la production en masse de métalentilles et leur fabrication sur de grandes surfaces. Leurs travaux ont été publiés dans la revue internationale Laser & Photonics Reviews.
La photolithographie, un procédé utilisé pour fabriquer les métalentilles en imprimant des motifs sur des wafers de silicium à l’aide de lumière, est une étape clé de leur fabrication. L’équipe a opté pour la photolithographie à ultraviolets profonds, qui utilise des longueurs d’onde plus courtes, permettant ainsi la création de structures plus fines et détaillées.
Des avancées significatives dans la production de métalentilles
L’équipe de recherche a récemment réussi à produire en masse des métalentilles pour la région de la lumière visible en utilisant la photolithographie à ultraviolets profonds. Cependant, cette méthode présentait une faible efficacité dans la région infrarouge. Pour surmonter cette limitation, les chercheurs ont développé un matériau à haut indice de réfraction et à faible perte pour l’infrarouge, qu’ils ont intégré au processus de production en masse.
Cette approche a permis de créer avec succès une métalentille infrarouge de 1 cm de diamètre sur un wafer de 8 pouces. La lentille possède une ouverture numérique remarquable de 0,53, soulignant sa capacité exceptionnelle à collecter la lumière avec une haute résolution proche de la limite de diffraction. Sa structure cylindrique la rend également indépendante de la polarisation, garantissant d’excellentes performances quelle que soit la direction de vibration de la lumière.
La nano-impression, une technique prometteuse
Dans la seconde approche, l’équipe a utilisé la nano-impression, un procédé permettant d’imprimer des nanostructures à l’aide d’un moule. Cette technique a permis de produire en masse une métalentille de 5 mm de diamètre, composée d’environ cent millions de nanostructures rectangulaires sur un wafer de 4 pouces. La métalentille ainsi conçue a démontré des performances impressionnantes, avec une ouverture de 0,53 et des propriétés dépendantes de la polarisation, répondant efficacement à la direction de vibration de la lumière.
Vers la commercialisation des métalentilles
Fort de ces réalisations, l’équipe a intégré un système d’imagerie haute résolution pour observer des échantillons réels, validant ainsi la possibilité de commercialiser les métalentilles. Ces travaux revêtent une importance capitale, car ils permettent de surmonter les limites du processus traditionnel de production unitaire des métalentilles. Ils facilitent non seulement la création de dispositifs optiques aux caractéristiques dépendantes ou indépendantes de la polarisation, adaptés à des applications spécifiques, mais réduisent également le coût de production des métalentilles jusqu’à 1 000 fois.
Le professeur Junsuk Rho, qui a dirigé la recherche, a précisé : «Nous avons réussi à produire de manière précise et rapide des métalentilles hautes performances à l’échelle de la plaquette, atteignant des dimensions centimétriques. Notre objectif est que cette recherche accélère l’industrialisation des métalentilles, favorisant ainsi le développement de dispositifs optiques et de technologies optiques efficaces.»
Article : « Fabrication à l’échelle de la plaquette de métal dans l’infrarouge proche » – DOI: 10.1002/lpor.202300929
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