microottica

microottica

microòttica s. f. – Settore dell'ottica caratterizzato da linee di sviluppo quali la forte riduzione delle dimensioni fisiche di componenti (lenti, specchi, prismi, ecc.) e di schemi funzionali, sia derivati da configurazioni ottiche convenzionali sia progettati su basi del tutto nuove. La situazione che si va delineando in questo ambito mostra un quadro vario e complesso, con l’emergere di significative relazioni fra diversi campi della fisica e della ricerca in generale e con prospettive di forte impatto sul fronte dell’innovazione scientifica. Va infatti considerato che l’ingresso nel mondo microscopico e submicroscopico presuppone, innanzitutto, di operare per la prima volta concretamente con strutture di dimensioni confrontabili con la lunghezza d’onda della luce o persino minori. Inoltre, può comportare l’interazione con forze e processi chimico-fisici finora rimasti al di fuori del consueto campo dell’ottica, con risultati nuovi e, a volte, sorprendenti e inattesi. Infine, si osserva una concomitanza dei più diversi aspetti della teoria e di fenomeni ottici che, invece, si presentano per lo più separatamente nei dispositivi macroscopici.

Il ruolo dell’ottica integrata. – L’ottica integrata, ossia la ricerca per l’integrazione su uno stesso microcircuito (chip) di dispostivi ottici, elettronici ed elettroottici, è stata favorita dall’introduzione delle fibre ottiche nel campo delle telecomunicazioni nell’ultimo quarto del 20° secolo. Con la comparsa dell'ottica integrata, il grande impegno progettuale e tecnologico che aveva caratterizzato la miniaturizzazione dell’elettronica è stato indirizzato anche all’ingegneria ottica. In breve tempo è stata sviluppata, ad altissimi livelli, la capacità di realizzare componenti ottici in miniatura  – quali lenti, specchi, polarizzatori, reticoli diffrattivi  – sulla superficie e all’interno di sottili strati di silicio (wafers). Questo materiale, dotato di particolari proprietà utili per la realizzazione di dispositivi elettronici, presenta anche una serie di vantaggi per quanto riguarda le proprietà ottiche: per es., permette facilmente la formazione controllata di ossido con un valore dell’indice di rifrazione molto diverso da quello dell’elemento. Sfruttando questa differenza di valori, per il fenomeno della riflessione totale, diventa possibile ricavare nello stesso silicio percorsi obbligati per la luce (guide ottiche) che colleghino fra loro i diversi microcomponenti, fino a formare veri circuiti ottici. Per realizzare tali strutture si utilizzano particolari tecniche litografiche e di fotoincisione, derivate da analoghe e ben consolidate procedure sviluppate per i chip e i microchip puramente elettronici. Sono state introdotte anche altre metodologie, quali la scrittura diretta tramite fasci laser focalizzati con estrema precisione. Sugli stessi wafers, direttamente sul silicio o mediante deposizione di materiali emettitori di luce, si costruiscono anche le microstrutture che costituiscono i componenti elettronici e quelli elettroottici. Questi ultimi realizzano il collegamento (integrazione) fra il segnale in forma elettrica e quello in forma ottica. Possono essere sorgenti, rivelatori, modulatori o amplificatori di luce e sono necessari per la gestione del flusso di informazioni trasportate dalla radiazione.

Un nuovo contesto per i fenomeni ottici. – In questo ambito tecnologico si pongono anche le basi dei più recenti e innovativi sviluppi scientifici. Si cominciano a studiare approfonditamente e a trasformare in concrete applicazioni fenomeni quali l’onda evanescente, ossia quella parte del campo elettromagnetico che si propaga nelle regioni proibite dalle regole di rifrazione dell’ottica geometrica, o i processi diffrattivi legati ai reticoli microscopici definiti specchi di Bragg. I processi legati all’onda evanescente vengono comunemente applicati in dispositivi microscopici, all’interno di chip ottici, per scambiare in modo controllato la radiazione fra due o più guide d’onda. Applicazioni più innovative e versatili stanno per essere rese possibili dallo sviluppo delle tecnologie costruttive su scale sempre minori, in combinazione con l’impiego di altri fenomeni ottici. Per es., l’onda evanescente può essere utilizzata per esplorare l’ambiente immediatamente esterno alla guida ottica e quindi servire di base per avanzati sensori biochimici per liquidi e soluzioni. Strutture basate sui reticoli di Bragg costituiscono il prototipo dei cristalli fotonici. La necessità di integrare sullo stesso chip anche le sorgenti di radiazione luminosa ha portato allo sviluppo di microlaser e amplificatori ottici il cui mezzo attivo è posto in cavità risonanti di dimensioni confrontabili con λ. In queste condizioni si uniscono la natura quantistica dell’ottica e della materia e si registrano processi paradossali nell’ambito del senso comune. Per es., l’emissione luminosa da parte di un atomo viene condizionata, forzata o inibita dalle dimensioni della cavità in cui si trova l’atomo, dimensioni che sono comunque ben più grandi dell’atomo stesso. La miniaturizzazione, a causa del confinamento della radiazione in volumi microscopici e del conseguente raggiungimento di altissimi livelli di densità di potenza elettromagnetica, costituisce il naturale contesto per l’applicazione di molti fenomeni legati al regime dell’ottica non lineare. In tale regime, le proprietà ottiche dei materiali, come, per es., l’indice di rifrazione o il livello di trasparenza, dipendono a loro volta dall’intensità luminosa, con effetti assolutamente non comuni a livello macroscopico. Per es., un fascio di luce può interagire con un altro e ne risulta una modificazione reciproca, laddove in ottica lineare due fasci, dopo essersi incrociati, riemergono esattamente come prima. In regime non lineare un singolo fascio interagisce anche con sé stesso e le regole della sua propagazione possono diventare molto più complesse e dare luogo a una varietà di nuovi effetti. Anche la frequenza di un’onda luminosa, ovvero il suo colore, può cambiare e combinarsi con le frequenze di altri fasci, aprendo la strada a nuovi tipi di sorgenti ottiche. Effetti del genere, oltre che di grande interesse scientifico, sono largamente utilizzati e costituiscono oggetto di ricerca e di sviluppo per le possibilità di controllo della radiazione che offrono e per l’elaborazione delle informazioni trasportate dalla luce, per es. ai fini delle telecomunicazioni.

Applicazioni. – Le esperienze e i successi tecnologici riportati con l’ottica integrata hanno prodotto sviluppi che si sono presto divisi in due settori distinti. Da un lato, l’integrazione ottica-elettronica è stata spinta verso la replica in miniatura, su microchip, di apparecchiature sempre più sofisticate sia per applicazioni commerciali, quali videocamere digitali per telefoni cellulari, sia per scopi scientifici, quali microlaser e spettrofotometri, per es. per analisi biochimiche. Dall’altro, sono stati studiati schemi ottici su scala micrometrica anche al di fuori dei progetti d’integrazione con l’elettronica. Si è cominciato a pensare a microchip dedicati soltanto all’ottica o, almeno, in cui l’ottica avesse un ruolo preponderante rispetto all’elettronica. Nell'ambito del settore della m. wafer level (cioè a scala wafer) che ne è scaturito, sono di rilievo applicazioni quali le matrici di microlenti, le matrici dinamiche e le ottiche adattive (v. ), le matrici di microspecchi (v. ) e i . Si è accennato al fatto che lo sviluppo della m. sta anche portando a utilizzare forze e processi di natura chimico-fisica finora estranei al campo dell’ottica. Operando con componenti di dimensioni micrometriche, è nell'ordine delle cose prendere in considerazione effetti quali la tensione superficiale, la forza elettrostatica o la dilatazione termica per modificare rapidamente ed efficacemente il profilo di una lente o la curvatura di uno specchio. Ne sono esempi le lenti liquide e i cristalli liquidi per ottica adattiva. Lo sviluppo più recente della m. è collegato alla progressiva riduzione delle dimensioni fisiche delle strutture, fino a valori molto minori della lunghezza d’onda della luce visibile (0,4÷0,7 μm). Si entra nell’ordine di grandezza dei nanometri, quindi nel campo di impiego delle nanotecnologie (da cui il termine nanoottica). Dal punto di vista della propagazione di un’onda luminosa, tali strutture non vengono più distinte in quanto tali e separate, a differenza di quello che si verifica nei cristalli fotonici. La strutturazione invece influenza il movimento delle cariche del materiale (in genere elettroni) sotto l’effetto del campo elettromagnetico associato all’onda. Poiché da tale moto deriva la risposta del mezzo alla luce, il risultato può essere la creazione di un materiale artificiale con proprietà ottiche non convenzionali e addirittura non esistenti in natura. Per questo motivo si è coniato il termine metamateriali. È importante osservare che, diversamente dai cristalli fotonici, nei metamateriali le proprietà restano artificiali anche su scala microscopica. Si tratta di una vera e propria rivoluzione nella capacità di ingegnerizzazione delle proprietà ottiche, paragonabile alla scoperta delle leghe per le proprietà meccaniche. In questo ambito un notevole risultato applicativo riguarda il superamento del limite diffrattivo con le .