Lentes esféricas y semiesféricas: diseño y aplicación de elementos ópticos en miniatura

Como componentes principales de los sistemas ópticos en miniatura, las lentes esféricas y las lentes de media bola, con sus estructuras geométricas y propiedades ópticas únicas, desempeñan un papel fundamental en las comunicaciones ópticas, la biomedicina, el procesamiento láser y otros campos. La lente esférica es una estructura esférica completa, mediante la cual se logra la simetría esférica para lograr una refracción uniforme de la luz; la lente de media bola se corta de la esfera, y su superficie inferior plana es fácil de integrar con fibras ópticas, detectores y otros dispositivos. Mediante el material de alto índice de refracción, se modifica la trayectoria de propagación del haz, en escala milimétrica o incluso micrométrica, para lograr un enfoque, colimación y acoplamiento eficientes. Esto se utiliza para mejorar el acoplamiento de la señal entre la fibra óptica, el transmisor y el detector. Por ejemplo, en las comunicaciones por fibra óptica monomodo, una lente esférica de tan solo 0,5 mm de diámetro puede aumentar la eficiencia de acoplamiento del láser a más del 85 %, lo que soluciona el problema de las lentes tradicionales, que son demasiado grandes y tienen una baja tolerancia de alineación. También es adecuada para aplicaciones como espejos internos, escaneo de códigos de barras, materiales preprocesados para lentes asféricas y sensores. Las lentes esféricas se fabrican a partir de un único sustrato de vidrio y pueden enfocar o emitir luz paralela, según la geometría de la fuente de entrada. Las lentes de media bola también son comunes y se utilizan indistintamente con las lentes esféricas (completas) donde las limitaciones físicas de la aplicación requieren un diseño más compacto.

Clasificación y características por material

1. Vidrio óptico

- Vidrio de borosilicato (N-BK7): apto para la banda de 400-2000 nm, ampliamente utilizado en sistemas de acoplamiento de fibra y láser de baja potencia.

- Vidrio de lantánidos (serie N-LAF): índice de refracción de hasta 1,78-1,85, apertura numérica mejorada a más de 0,5, comúnmente utilizado en imágenes endoscópicas.

2. Materiales cristalinos

- Zafiro (Al₂O₃): Dureza de 9 Mohs, resistencia al rayado y a la corrosión, apto para entornos hostiles (p. ej., sondas de inspección industrial).

- Fluoruro de magnesio (MgF₂): Excelente transmitancia UV (a partir de 120 nm), utilizado en litografía UV profunda y sistemas de detección de fluorescencia.

3. Materiales infrarrojos

- Seleniuro de zinc (ZnSe): Transmitancia de longitud de onda de 10,6 μm >70 %, adecuado para la conformación de haz en el procesamiento láser de CO₂.

Vidrio de azufre (ChG): As₂S₃ con alta transmitancia en la banda del infrarrojo medio de 3-5 μm, utilizado en termografía y detección de gases.

Campo de aplicación

1. Comunicación por fibra óptica y dispositivos optoelectrónicos

Acoplamiento láser: Se utiliza una lente esférica de 0,75 mm de diámetro en el módulo óptico de 400 G para acoplar el láser de 1310 nm a la fibra monomodo con una eficiencia de acoplamiento >85 %.

Tratamiento del extremo de la fibra: Lente hemisférica fusionada directamente al extremo de la fibra, lo que amplía el diámetro del campo modal de 9 μm a 25 μm y reduce la sensibilidad a la contaminación del extremo en un 30 %.

2. Imágenes biomédicas

Sistema endoscópico: Lente de media bola de zafiro (1,8 mm de diámetro) con sensor CMOS que permite obtener imágenes gran angular de 120° con una resolución de 2 MP.

DosMicroimagen fotónica: Lente esférica de fluoruro de magnesio integrada en una sonda neuronal con una profundidad de penetración de 1,5 mm para la observación dinámica de neuronas en el cerebro vivo.

3. Procesamiento láser de precisión

Procesamiento de microagujeros: La lente hemisférica de ZnSe enfoca el punto a 15 μm con un láser de CO₂ de 10,6 μm, lo que permite un procesamiento a alta velocidad de 500 agujeros por segundo en placas de acero inoxidable de 0,3 mm.

Escritura directa láser: Matriz de lentes esféricas (100 × 100 unidades) para la preparación de máscaras litográficas con una precisión de ancho de línea de hasta 0,5 μm.

4. Electrónica de consumo y detección

Luz estructurada 3D: Matriz de lentes hemisféricas de PMMA integrada en el módulo Face ID del teléfono móvil, que genera una proyección de 300.000 motas dispersas con una precisión de medición de ±0,1 mm.

Monitoreo ambiental: Se utilizan lentes hemisféricas de vidrio a base de azufre en sensores de gas infrarrojos para detectar concentraciones de CO₂ y metano en ppb.