RICERCA ITALIANA     

Polimeri fotocromici per lo sviluppo di innovative superfici di riferimento riscrivibili per interferometria

Politecnico di Milano

Abstract

Saranno prodotti materiali diariletenici con specifiche proprietà fotocromiche impiegabili come strati attivi in superfici di riferimento per interferometria. L’innovazione del progetto risiede nella possibilità di ottenere superfici di riferimento riscrivibili (ologrammi sintetici) grazie alla reversibilità del processo fotocromico; in questo modo sarà possibile eseguire misure interferometriche di superfici ottiche complesse utilizzando un unico dispositivo.
I materiali fotocromici saranno progettati in modo tale da migliorare le proprietà di contrasto, i valori di resa quantica e la modulazione di indice di rifrazione. A tale scopo ci si avvarrà dei lavori precedentemente svolti nell’ambito della collaborazione tra le due unità di ricerca coinvolte nel presente progetto. I materiali fotocromici che soddisferanno le proprietà attese saranno trasformati in film mediante tecniche da soluzione. Di tali film saranno determinati il contrasto in funzione della lunghezza d’onda, la qualità ottica della superficie e la distorsione del fronte d’onda. Per le misure interferometriche sarà sviluppato un setup basandosi sulla strumentazione già disponibile (interferometro di Fizeau). Sarà altresì sviluppato un sistema di scrittura dei supporti fotocromici per la realizzazione delle superfici di riferimento che dovrà essere caratterizzato da alta risoluzione spaziale ed elevata ripetibilità. Come misura preliminare per dimostrare la funzionalità del sistema, saranno scritte superfici di riferimento sui substrati fotocromici, con le quali saranno testate ottiche di qualità nota. Nella fase finale sarà sviluppato un sistema integrato di metrologia per superfici ottiche di forma complessa che sfruttera' la riscrivibilità del dispositivo. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Giuseppe Zerbi Politecnico di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Lo sviluppo di telescopi con specchi dell’ordine delle decine di metri di diametro pone nuove sfide nella progettazione di strumentazione ottica nel campo astronomico.
La progettazione di tali strumentazioni potrebbe ricevere un impulso importante se diventasse possibile la realizzazione di ottiche non tradizionali con superfici a curvatura variabile o addirittura le cosiddette "free form optics". Se è però vero che la tecnologia attuale permette di lavorare materiali ottici con geometria anche molto complessa, non sempre è possibile un’adeguata misura della bontà della lavorazione. Di conseguenza, risulta di fondamentale importanza la realizzazione, e ancora di più la metrologia, di questo tipo di ottiche.

Gli obiettivi di questo progetto sono:
- progettare e sintetizzare nuovi materiali organici con predefinite e specifiche proprietà ottiche;
- impiegare questi materiali come film attivi per lo sviluppo di innovative superfici di riferimento riscrivibili in interferometria. Scopo finale del progetto è lo sviluppo di un sistema integrato di metrologia per superfici ottiche di forma complessa.

Per realizzare tali obiettivi, il progetto gode della partecipazione di due unità di ricerca con competenze complementari. Il gruppo di ricerca del Politecnico di Milano (UdR1) ha una specifica esperienza nella ricerca e sviluppo di materiali funzionali organici e nella loro trasformazione e caratterizzazione, mentre i ricercatori dell’Osservatorio Astronomico di Brera (UdR2) che partecipano al presente progetto svolgono la loro attività nel campo dello sviluppo e realizzazione di componenti per strumentazione astronomica.
Il progetto beneficerà anche del lavoro svolto negli ultimi anni nell’ambito della collaborazione tra le due Unità di Ricerca: sono state realizzate maschere di piano focale riscrivibili per spettroscopia multi-oggetto e, piu' di recente, sono stati sviluppati reticoli olografici di volume fotocromici.

I materiali fotocromici di tipo diariletenico offrono un'ulteriore possibilita': la realizzazione di ologrammi sintetici riscrivibili (d'ora in poi indicati per brevita' OS) da usare per la misura interferometrica di superfici ottiche complesse. L’idea innovativa è quella di sfruttare la variazione reversibile della trasmittanza e dell'indice di rifrazione di materiali fotocromici con struttura molecolare opportunamente progettata per mezzo di uno stimolo luminoso.
Come materiali di partenza saranno utilizzati molecole diarileteniche e polimeri a scheletro diariletenico già disponibili e ampiamente caratterizzati presso il Politecnico di Milano. Sulla base dei primi risultati saranno sintetizzati nuovi materiali con proprietà ottimizzate per questa specifica applicazione.Tutti i materiali saranno trasformati in film sottili e consegnati all’UdR2 per le successive fasi di scrittura e realizzazione del set-up interferometrico.
Molto importante per il raggiungimento degli obiettivi del progetto è l’ottenimento di film di buona qualità ottica: verranno utilizzate tecniche di deposizione da soluzione (casting, casting assistito da un control coater e sping coating) e, se necessario, si ricorrerà ad altre tecniche che prevedono la realizzazione di film polimerizzazione in situ del monomero fotocromico.

La qualità ottica dei film così ottenuti sarà valutata dall’UdR2, che si occuperà anche dello sviluppo del dispositivo di misura finale.
Esso sarà composto da:
- una superficie di riferimento fotocromica riscrivibile
- un sistema di scrittura laser per OS
- un interferometro a OS riscrivibili.

La scrittura dell'ologramma sul film avverrà mediante un dispositivo di scrittura a punta laser in grado di trascrivere sul materiale fotocromico una figura di interferenza generata sinteticamente. Il dispositivo sarà dotato anche di un'unità di irraggiamento UV in grado di cancellare la lastra fotocromica per il suo successivo utilizzo.
Una volta realizzato l'ologramma, esso verrà posto nell'interferometro dove genererà il fronte d'onda di riferimento per l'ottica in esame.

Data un’ ottica di forma complessa, se ne simulerà la forma del fronte d’onda generato da essa e, di conseguenza, quella dell’ologramma che tale fronte d’onda creerebbe se interferisse con un secondo fronte d’onda piano. A questo punto sarà possibile “scrivere” sul supporto ottico fotocromico l’ologramma sintetico che, posto infine in un opportuno setup interferometrico, permettera' di misurare la qualita' delle superfici complesse.

Il carattere multidisciplinare del progetto è ben evidente e la passata e attuale collaborazione tra i due gruppi di ricerca rappresenta un elemento positivo per il raggiungimento degli obiettivi. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Lo sviluppo delle tecnologie ottiche ha permesso negli ultimi tempi progressi in molti campi scientifici e tecnologici. Ad esempio l’astrofisica ha fatto progressi da gigante sfruttando l’enorme potere di raccolta di luce dei nuovi telescopi da terra e spaziali. Nelle tecnologie industriali la fotonica ha permesso di controllare i processi produttivi in modo efficiente ed ha permesso lo sviluppo di tecniche diagnostiche che permettono di avere informazioni sulle proprietà meccaniche, termiche, ottiche, in modo rapido e accurato.

Molti settori emergenti, quali il mercato della fotografia digitale, non avrebbero avuto una crescita esponenziale se non fossero state sviluppate tecniche di produzione efficienti ed economiche di lenti polimeriche di buona qualità. Ancora, il settore informatico non avrebbe conosciuto l’attuale diffusione se non fosse stato possibile scrivere circuiti integrati sempre più miniaturizzati, tecnica permessa soltanto attraverso lo sviluppo di lenti asferiche di qualità via via superiore.

Ogni progresso nella realizzazione di ottiche sempre più complesse è stato accompagnato da un progresso parallelo nel campo della metrologia ottica, ovvero di quelle tecniche di misura che permettono di controllare il processo di produzione delle ottiche stesse. Attualmente la frontiera nel campo della realizzazione di ottiche sempre più complesse è costituito dalle “ottiche a forma libera” (free-form optics). Queste ottiche sono costituite da superfici la cui lavorazione devia dalla semplice forma sferica in modo praticamente arbitrario, permettendo il miglioramento dei sistemi ottici che adottano tali ottiche. Infatti è possibile ridurre il numero di elementi ottici di cui è costituito un sistema, aumentando la sua efficienza, riducendo la complessità dei sistemi di montaggio, aumentando la qualità delle immagini prodotte dal sistema, e così via.

Queste nuove superfici pongono tuttavia una sfida impegnativa a chi ha il compito di misurare quanto buona sia la superficie. Alcune tecniche standard, quali la profilometria e l’interferometria, sono state utilmente applicate ma si è ben lontani da una procedura di misura affidabile e consolidata, che apra alla fabbricazione di massa di tali ottiche. E’ necessario avere un metodo preciso, affidabile e rapido che non necessiti di lunghe e difficili misure.

Ad esempio, la profilometria misura una o più sezioni della superficie attraverso il movimento dello stilo e/o della superficie da misurare. Per avere informazioni su tutta la superficie è necessario controllare in modo accurato le movimentazioni, e ciò richiede del tempo. Inoltre essa è una misura indiretta basata su una ricostruzione digitale della forma della superficie.

L’interferometria permette una misura rapida di tutta la superficie, il che riduce eventuali errori dovuti alla ricostruzione come nel caso della profilometria. Tuttavia le tecniche interferometriche possono essere applicate con semplicità solo a superfici ottice particolarmente semplici, quali superfici piane o sferiche, e alcune superfici complesse come ellissoidi, paraboloidi, e poche altre.
Le nuove ottiche a forma libera necessitano dello sviluppo di particolari tecniche interferometriche. Tra le possibilità citiamo l’uso di ologrammi sintetici (OS) [1-4] con la funzione di generare il fronte d’onda di riferimento rispetto al quale misurare il fronte d’onda reale prodotto dalla superficie in esame. Si tratta di simulare il comportamento dell’ottica da esaminare attraverso un modello ottico. Tale modello permette di ricostruire la forma del fronte d’onda generato dalla superficie. Se tale fronte d’onda interferisse con un fronte d’onda piano, si osserverebbe un figura di interferenza (ologramma), caratteristica di quella superficie. Tale figura sintetica può essere utilizzata per misurare una superficie reale se l’ologramma sintetico viene “stampato” su un supporto opportuno all’interno di un interferometro.

Tale tecnica degli ologrammi sintetici, in effetti, esiste già da tempo ma è fortemente limitata da alcuni fattori: (1) ogni superficie che si vuole misurare necessita di un nuovo OS che deve essere opportunamente calcolato e poi stampato; (2) l’OS deve essere scritto con elevata qualità sia del “supporto di stampa” che della “tecnica di scrittura”; (3) l’OS deve essere posizionato in modo assai accurato all’interno dell’interferometro per garantire una misura precisa. Il tempo necessario per una singola misura ha reso di fatto eccezionale il ricorso a tale sistema di misura.

In pratica un OS è costituito da una lamina trasparente, tipicamente vetro, sulla quale viene trasferito un pattern che, come detto, è stato generato in precedenza tramite calcolatore. Alla fine il dispositivo si configura come una struttura binaria di chiari/scuri, in questo caso si parla di OS "in ampiezza" oppure una struttura simile ai reticoli di diffrazione (variazione periodica della forma superficiale, variazione di indice di rifrazione), in quest'altro casi si parla di OS "in fase". Le tecniche e i materiali solitamente utilizzati per ottenere questi elementi derivano dall'industria dei semiconduttori; sono quindi usate tecniche litografiche sia di tipo laser che a fascio elettronico. Inoltre il pattern può venire trasferito anche successivamente mediante stampaggio. Tipici OS "in ampiezza" sono costituiti da un pattern di Cr depositato su vetro.

Se si disponesse di un sistema capace di scrivere ologrammi sintetici all’interno di un interferometro in modo accurato e veloce, si potrebbe d’un solo colpo superare le problematiche sopra descritte rendendo possibile la diffusione di tale sistema di misura da applicare alle superfici complesse.


I materiali fotocromici sono materiali che presentano due forme stabili caratterizzate da proprieta' ottiche (colore, indice di rifrazione) e più in generale chimico-fisiche molto differenti [5-7]. Le due forme sono interconvertibili tra loro, in maniera reversibile, mediante opportuno irraggiamento (generalmente UV - visibile).
Questa peculiarità rende i materiali fotocromici molto attraenti sia da un punto di vista scientifico-accademico che tecnologico-industriale: in letteratura, numerose sono le descrizioni ed applicazioni dei materiali fotocromici, sia di tipo inorganico che organico.
Tra i materiali organici, i diarileteni sono ormai riconosciuti come i più efficienti sistemi fotocromici e si caratterizzano come i migliori candidati per applicazioni tecnologiche [8]. Infatti, essi sono caratterizzati da:
- elevata stabilità delle due forme fotocromiche;
- elevata resistenza a fatica (numero di cicli fotocromici a cui il materiale può dar luogo senza sostanziale deterioramento delle sue proprietà);
- elevate conversioni;
- elevate velocità di risposta.

Da circa dieci anni, il gruppo di ricerca del prof. Zerbi (UdR1) svolge ricerca nell'ambito dei diarileteni, sia per quanto riguarda la sintesi di nuovi materiali, sia per lo sviluppo di nuove applicazioni e si è distinto in ambito internazionale per aver introdotto una classe di materiali diariletenici a struttura macromolecolare [9,10]. Disporre di materiali fotocromici di natura polimerica ha una particolare valenza per la realizzazione di dispositivi. I polimeri diariletenici coniugano infatti le proprietà ottiche dei materiali fotocromici con le proprietà di filmabilità tipiche dei materiali polimerici. Tutto ciò permette di evitare l’utilizzo di una matrice polimerica di supporto in cui disperdere il cromoforo. Il limite maggiore di questa strategia risiede nella limitata concentrazione di molecole attive nella matrice (spesso inferiore al 10%) necessaria al fine di evitare fenomeni di aggregazione/segregazione che pregiudicano la qualità ottica dei film. Il basso contenuto di molecole fotocromiche porta ad un conseguente abbassamento della risposta fotocromica dello strato (soprattutto in termini di trasparenza e degrado del fronte d'onda).
I polimeri a scheletro diariletenico sintetizzati presso i laboratori del Politecnico di Milano, non solo hanno permesso il connubio tra le proprietà fotocromiche e le proprietà di filmabilità dei polimeri, ma hanno sorprendentemente mostrato un miglioramento delle caratteristiche fotocromiche rispetto ai corrispondenti monomeri e, in generale, ai diarileteni a basso peso molecolare [11,12].

Per quanto concerne le applicazioni tecnologiche dei sistemi fotocromici, essi sono stati storicamente proposti come materiali per memorie ottiche riscrivibili. L’UdR1 ha proposto e realizzato un sistema di lettura non distruttivo delle informazioni basato sul riconoscimento nel medio infrarosso delle due forme fotocromiche e ha determinato quali fossero le strutture diarileteniche più adatte a questo tipo di utilizzo [13,14].

Qualche anno fa, le due unità di ricerca del presente progetto (Politecnico di Milano e Osservatorio Astronomico di Brera) hanno avviato una collaborazione con l’intento di realizzare elementi di nuova concezione per strumentazione astronomica basati sulla risposta molecolare dei materiali. In particolare, attraverso questa collaborazione, si è cercato di far convergere alcune esigenze della progettazione ottica, in cui erano richieste caratteristiche diverse da quelle tradizionali, con le funzionalità di materiali organici opportunamente progettati e sintetizzati.
Questo tipo di ricerca, formalizzato con il progetto DROP (Double Role of Photochromism, finanziato dall’INAF) e con il progetto OPTICON (OPTical Infrared Coordination Network for astronomy, VI programma quadro UE), ha portato alla realizzazione di maschere di piano focale riscrivibili per spettroscopia multi oggetto e allo sviluppo di reticoli olografici di volume [15].

La maschera di piano focale ha il compito di selezionare, durante un’osservazione, gli oggetti celesti di interesse ed eliminare il segnale di rumore proveniente dal cielo. Generalmente, queste maschere sono costituite da una lamina metallica avente fenditure opportunamente incise. E’ evidente come ogni osservazione richieda una nuova maschera. L’idea è stata quella di sfruttare la variazione di trasmittanza propria dei materiali fotocromici e la reversibilità del processo fotocromico per realizzare maschere di piano focale riscrivibili. Sono stati utilizzati materiali caratterizzati da un’elevata variazione di trasmittanza nella regione del visibile (in particolare da 500 a 700 nm), con i quali sono stati ottenuti film fotocromici su substrato di vetro. I film fotocromici sono stati dapprima esposti a luce ultravioletta per convertire le molecole nella loro forma colorata. Il pattern di osservazione è stato scritto utilizzando un dispositivo automatico (ARATRO) costituito da un laser rosso collegato a a un sistema mobile dove e' posto il film, che ha la funzione di convertire le molecole nella loro forma trasparente in posizioni predefinite della maschera. Le maschere possono essere cancellate mediante successivo irraggiamento UV e riscritte un numero elevato di volte: misure di resistenza a fatica hanno dimostrato che una maschera di piano focale fotocromica ha un tempo di vita superiore ad un anno di continuo utilizzo. Tutto il sistema può essere completamente robotizzato e trova la sua finale applicazione in telescopi non facilmente accessibili, come quelli spaziali.
Le maschere di piano focale fotocromiche sono state utilizzate con successo nella camera AFOSC del telescopio di Asiago[16].

Più recentemente si è esplorata anche la possibilità di realizzare reticoli olografici di volume (VPHG) fotocromici. Tale tipologia di sistema disperdente ha ricevuto una grande attenzione negli ultimi dieci anni da parte della comunità astronomica in quanto questi reticoli mostrano un'elevata efficienza di picco (&gt;90%), la possibilità di spostare in lunghezza d'onda il picco di efficienza semplicemente cambiando l'angolo di incidenza e possono essere realizzati in grandi dimensioni.
Utilizzando questi elementi, l'Osservatorio Astronomico di Brera (UdR2) ha contribuito all'aggiornamento di alcune strumentazioni (AFOSC, do.lo.res) di telescopi nazionali e ha sviluppato competenze, non solo in ambito nazionale, nella progettazione di strumentazione astronomica basata su VPHG.
I VPHG sfruttano il fenomeno di diffrazione che si genera nel volume di un film che presenta un pattern di linee con alto indice di rifrazione e basso indice di rifrazione. Un materiale può essere considerato un buon candidato per la realizzazione di questi sistemi disperdenti se può essere indotta al suo interno una ripetuta variazione di indice di rifrazione.
I materiali tradizionalmente utilizzati a tale scopo sono materiali per olografia e, in particolare, le gelatine sensibilizzate al dicromato. Il procedimento di scrittura del pattern di linee prevede una fase di esposizione seguita da un delicato processo di sviluppo chimico che innalza la modulazione di indice di rifrazione.
La variazione di indice di rifrazione che accompagna il processo fotoindotto rende i materiali fotocromici potenzialmente adatti alla realizzazione di reticoli olografici di volume. La realizzazione dei VPHG fotocromici non richiede alcuna fase di sviluppo chimico e ciò rappresenta un vantaggio rispetto all’utilizzo degli altri materiali per olografia.
In questo contesto, una fase di lavoro preliminare ha riguardato lo studio delle caratteristiche molecolari che permettono di massimizzare la differenza di indice di rifrazione tra le due forme fotocromiche. Questo studio ha richiesto anche una modellazione teorica basata su conti quantomeccanici.
Sono state quindi sintetizzate molecole diarileteniche a basso peso molecolare e polimeri a scheletro diariletenico. La modulazione dell’indice di rifrazione è stata determinata su film sottili, sia mediante ellissometria, sia mediante misure di riflettanza spettrale. I polimeri fotocromici, che come precedentemente riportato, non necessitano di alcuna matrice di supporto hanno mostrato i migliori risultati, circa di un ordine di grandezza superiori a quelli ottenuti con molecole a basso peso molecolare disperse in matrice. Sono stati raggiunti valori di modulazione di indice di rifrazione di 0.03 a 1500 nm; esso rappresenta il valore più elevato riportato in letteratura nel campo dei materiali fotocromici[17].
Per la realizzazione del primo prototipo di VPHG fotocromico è stato utilizzato un poliestere diariletenico caratterizzato da una modulazione di indice di rifrazione dell’ordine di 0.02, da buona efficienza del processo fotoindotto in entrambe le direzioni e da buona filmabilità. La scrittura del pattern di interferenza è stata realizzata per semplice trasferimento da un reticolo di Ronchi (600 linee/mm). Il reticolo olografico così ottenuto è stato caratterizzato al microscopio ottico e mediante diffrazione di luce bianca.

La collaborazione degli ultimi anni tra i gruppi di ricerca del Politecnico di Milano e dell’Osservatorio Astronomico di Brera ha permesso di sviluppare competenze trasversali e un linguaggio comune che sono requisiti indispensabili per lo svolgimento di studi a carattere fortemente interdisciplinare.
I risultati ottenuti dimostrano come la collaborazione tra le due UdR sia stata ed sia tuttora molto proficua, e rappresenti un'ottima base di partenza per questo progetto di ricerca dal momento che il tipo di materiale e fenomeni in gioco (variazione di trasmittanza e di indice di rifrazione) sono gli stessi. <<<