Pour la première fois, les chercheurs ont fabriqué des structures de guidage de la lumière appelées guides d'ondes d'un peu plus d'un micron de large dans un silicone transparent couramment utilisé pour les applications biomédicales. Le petit, des guides d'ondes flexibles peuvent être utilisés pour fabriquer des dispositifs basés sur la lumière tels que des capteurs biomédicaux et des endoscopes qui sont plus petits et plus complexes qu'il n'est actuellement possible.

"Au meilleur de nos connaissances, ce sont les plus petits guides d'ondes optiques jamais créés en polydiméthylsiloxane, ou PDMS, ", a déclaré Ye Pu, membre de l'équipe de recherche de l'École fédérale de Lausanne en Suisse. "Nos guides d'ondes flexibles pourraient être intégrés dans des systèmes de laboratoire sur puce microfluidiques pour éliminer les optiques externes encombrantes nécessaires pour effectuer des tests sanguins, par exemple. Ils pourraient également fournir de la lumière pour des appareils portables tels qu'une chemise avec un écran. »

Comme indiqué dans le journal Matériaux optiques Express , les nouveaux guides d'ondes optiques ne sont pas seulement plus fins qu'un morceau de poussière, ils présentent également une très faible perte de lumière lorsqu'ils sont utilisés avec certaines longueurs d'onde de lumière. Un signal basé sur la lumière peut traverser les nouveaux guides d'ondes sur 10 centimètres ou plus avant qu'une dégradation inacceptable du signal ne se produise.

Créer des structures avec la lumière

Les chercheurs ont fabriqué les nouveaux guides d'ondes en optimisant l'écriture directe au laser, une approche de microfabrication qui crée des structures 3D détaillées en polymérisant un produit chimique sensible à la lumière avec un laser focalisé précisément positionné. La polymérisation convertit des molécules relativement petites appelées monomères en grandes, polymères en forme de chaîne.

La nouvelle approche ne nécessite pas de photoinitiateur, qui est généralement utilisé pour absorber efficacement la lumière laser et la convertir en énergie chimique qui initie la polymérisation. "En n'utilisant pas de photoinitiateur, nous avons simplifié le processus de fabrication et également amélioré la compatibilité du dispositif final avec les tissus vivants, " Pu a déclaré. " Cette biocompatibilité améliorée pourrait permettre à l'approche d'être utilisée pour fabriquer des capteurs et des dispositifs implantables. "

Les nouveaux guides d'ondes flexibles pourraient également servir de blocs de construction pour les cartes de circuits imprimés photoniques qui utilisent des signaux optiques à grande vitesse plutôt que des liaisons électriques pour transmettre des données dans les ordinateurs et autres appareils électroniques.

Confiner la lumière

Pour obtenir un petit guide d'ondes optique qui confine efficacement la lumière, il doit y avoir une grande différence entre l'indice de réfraction du matériau constituant les guides d'ondes et le PDMS environnant. Les chercheurs ont utilisé du phénylacétylène pour les guides d'ondes car, par rapport aux matériaux traditionnellement utilisés, il a un indice de réfraction plus élevé une fois polymérisé. Comme avantage supplémentaire, il peut également être facilement chargé dans le PDMS simplement en trempant le PDMS dans du phénylacétylène liquide.

Après avoir trempé le PDMS dans du phénylacétylène, les chercheurs ont utilisé des impulsions laser ultrarapides focalisées pour induire un phénomène optique connu sous le nom d'absorption multiphotonique dans lequel plusieurs photons sont absorbés à la fois. L'écriture directe au laser multiphoton produit des structures beaucoup plus fines que les processus à un photon car le volume de polymérisation à chaque point d'écriture est beaucoup plus petit. L'écriture directe par laser multiphotonique a également permis aux chercheurs d'initier directement la polymérisation du phénylacétylène sans photoinitiateur. Ils ont ensuite évaporé tout phénylacétylène non polymérisé en chauffant le PDMS.

Les chercheurs ont montré que cette nouvelle approche pouvait créer des guides d'ondes flexibles en PDMS d'une largeur de seulement 1,3 micron. Pour la bande spectrale de 650 à 700 nanomètres, seulement 0,07 pour cent de la lumière transmise à travers les guides d'ondes est perdue chaque centimètre. L'optimisation de la configuration permettrait probablement la fabrication de guides d'ondes inférieurs à 1 micron, selon les chercheurs.

Un endoscope flexible

Les chercheurs travaillent maintenant à améliorer le rendement du processus de fabrication en développant un système de contrôle qui aiderait à éviter les dommages matériels lors de l'écriture au laser. Ils prévoient également de créer un réseau de guides d'ondes étroits en PDMS qui pourraient être utilisés pour construire un endoscope très flexible d'un diamètre inférieur à un millimètre.

"Un si petit, un endoscope mécaniquement flexible permettrait d'imager un certain nombre d'endroits difficiles d'accès du corps pour le diagnostic en clinique, ou pour la surveillance en chirurgie mini-invasive, " dit Pu.