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WASHINGTON - Des chercheurs ont mis au point un moyen de créer des composants optiques en donnant aux fluides les formes géométriques souhaitées pour pouvoir les solidifier par la suite. Cette nouvelle méthode devrait permettre de prototyper plus rapidement des composants optiques personnalisés pour diverses applications, notamment les verres correcteurs, la réalité augmentée et virtuelle, les véhicules autonomes, l'imagerie médicale et l'astronomie.

Les dispositifs courants, tels que les lunettes ou les appareils photo, reposent sur des lentilles - des composants optiques dotés de surfaces sphériques ou cylindriques, ou de légères déviations par rapport à ces formes. Cependant, des fonctionnalités optiques plus avancées peuvent être obtenues à partir de surfaces aux topographies complexes. Actuellement, la fabrication de ces optiques de forme libre est très difficile et coûteuse en raison de l'équipement spécialisé nécessaire pour traiter et polir mécaniquement leurs surfaces.

"Notre approche pour fabriquer des optiques de forme libre permet d'obtenir des surfaces extrêmement lisses et peut être mise en œuvre à l'aide d'un équipement de base que l'on trouve dans la plupart des laboratoires", a déclaré le chef de l'équipe de recherche, Moran Bercovici, du Technion - Institut israélien de technologie. "Cela rend la technologie très accessible, même dans les milieux à faibles ressources".

Dans Optica, la revue du groupe d'édition Optica consacrée à la recherche, Bercovici et ses collègues montrent que leur nouvelle technique peut être utilisée pour fabriquer des composants de forme libre avec une rugosité de surface inférieure au nanomètre en quelques minutes seulement. Contrairement à d'autres méthodes de prototypage telles que l'impression 3D, le temps de fabrication reste court même si le volume du composant fabriqué augmente.

"Actuellement, les ingénieurs en optique paient des dizaines de milliers de dollars pour des composants de forme libre spécialement conçus et attendent des mois avant de les recevoir", a déclaré Omer Luria, l'un des collaborateurs de l'article. "Notre technologie est sur le point de réduire radicalement à la fois le temps d'attente et le coût des prototypes optiques complexes, ce qui pourrait accélérer considérablement le développement de nouvelles conceptions optiques."

Des lunettes aux optiques complexes

Les chercheurs ont décidé de développer cette nouvelle méthode après avoir appris que 2,5 milliards de personnes dans le monde n'ont pas accès à des lunettes correctrices. "Nous avons entrepris de trouver une méthode simple pour fabriquer des composants optiques de haute qualité qui ne repose pas sur un traitement mécanique ou une infrastructure complexe et coûteuse", a déclaré Valeri Frumkin, qui a d'abord développé la méthode dans le laboratoire de Bercovici. "Nous avons ensuite découvert que nous pouvions développer notre méthode pour produire des topographies optiques beaucoup plus complexes et intéressantes."

L'un des principaux défis de la fabrication d'optiques par durcissement d'un polymère liquide est que pour les optiques de plus de 2 millimètres environ, la gravité domine sur les forces de surface, ce qui fait que le liquide s'aplatit en une flaque. Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont mis au point un moyen de fabriquer des lentilles en utilisant un polymère liquide immergé dans un autre liquide. La flottabilité s'oppose à la gravité, permettant à la tension superficielle de dominer.
Sans tenir compte de la gravité, les chercheurs ont pu fabriquer des surfaces optiques lisses en contrôlant la topographie de la surface de la lentille liquide. Il s'agit d'injecter le liquide de la lentille dans une monture de soutien afin que le liquide de la lentille mouille l'intérieur de la monture et se détende ensuite dans une configuration stable. Une fois la topographie requise obtenue, le liquide de la lentille peut être solidifié par exposition aux UV ou par d'autres méthodes pour achever le processus de fabrication.

Après avoir utilisé la méthode de fabrication liquide pour réaliser des lentilles sphériques simples, les chercheurs ont élargi leur champ d'application à des composants optiques de géométries diverses - notamment des formes toriques et trilobées - et de tailles allant jusqu'à 200 mm. Ils ont montré que les lentilles obtenues présentaient des qualités de surface similaires aux meilleures technologies de polissage disponibles, tout en étant plus rapides et plus simples à fabriquer. Dans les travaux publiés dans Optica, ils ont étendu la méthode pour créer des surfaces de forme libre, en modifiant la forme de la monture de soutien.

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Des possibilités infinies‍

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"Nous avons identifié une gamme infinie de topographies optiques possibles qui peuvent être fabriquées à l'aide de notre approche", a déclaré Mor Elgarisi, auteur principal de l'article. "La méthode peut être utilisée pour fabriquer des composants de n'importe quelle taille, et comme les surfaces liquides sont naturellement lisses, aucun polissage n'est nécessaire. L'approche est également compatible avec tout liquide qui peut être solidifié et présente l'avantage de ne produire aucun déchet."
Les chercheurs s'efforcent maintenant d'automatiser le processus de fabrication afin que diverses topographies optiques puissent être réalisées de manière précise et reproductible. Ils expérimentent également divers polymères optiques pour déterminer ceux qui produisent les meilleurs composants optiques.

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