Photonic devices bend and stretch for potential diagnostics / I dispositivi fotonici si piegano e si estendono per la potenziale diagnostica.
Researchers have developed a method for making photonic devices that bend and stretch, an advance that could find use in body worn, or implanted, diagnostic and monitoring devices.
MIT Associate Professor Juejun Hu said that there is interest in the possibility of optical technologies that can stretch and bend, especially for applications such as skin-mounted monitoring devices that could directly sense optical signals. Such devices might simultaneously detect heart rate, blood oxygen levels, and even blood pressure.
The findings, which involve the use of chalcogenide, a specialised form of glass, are described in a paper by Hu and others at MIT, the University of Central Florida, and universities in China and France. The paper is slated for publication in Light: Science and Applications.
Photonic devices process light beams directly using systems of LEDs, lenses, and mirrors fabricated with the same kinds of processes used to manufacture electronic microchips. Using light beams rather than a flow of electrons can have advantages for many applications; if the original data is light-based, for example, optical processing avoids the need for a conversion process.
In a statement, Hu said many photonics devices are fabricated from rigid materials on rigid substrates and have an “inherent mismatch” for applications that “should be soft like human skin.” However, most soft materials, including most polymers, have a low refractive index, which leads to a poor ability to confine a light beam.
Instead of using such flexible materials, Hu and his team formed the stiff material – a thin layer of chalcogenide – into a spring-like coil. The architecture of this glass coil allows it to stretch and bend freely while maintaining its desirable optical properties.
“You end up with something as flexible as rubber, that can bend and stretch, and still has a high refractive index and is very transparent,” Hu said. Tests have shown that such spring-like configurations, made directly on a polymer substrate, can undergo thousands of stretching cycles with no detectable degradation in their optical performance.
The team reportedly produced a variety of photonic components, interconnected by the flexible, spring-like waveguides, all in an epoxy resin matrix, which was made stiffer near the optical components and more flexible around the waveguides.
Other kinds of stretchable photonics have been made by embedding nanorods of a stiffer material in a polymer base, but those require extra manufacturing steps and are not compatible with existing photonic systems, Hu said.
Such flexible, stretchable photonic circuits could also be useful for applications where the devices need to conform to the uneven surfaces of another material, such as in strain gauges. Optics technology is very sensitive to strain, according to Hu, and could detect deformations of less than one-hundredth of one per cent.
The research is still in early stages and Hu’s team has so far demonstrated single devices.
“For it to be useful, we have to demonstrate all the components integrated on a single device,” he said. Work is ongoing to develop the technology to that point so that it could be commercially applied, which Hu said could take another two to three years.
ITALIANO
I ricercatori hanno sviluppato un metodo per realizzare dispositivi fotonici che si piegano e si allungano, un anticipo che potrebbe essere utilizzato in dispositivi utilizzati per il corpo o impiantati, per la diagnosi ed il monitoraggio.
Il Professore associato del MIT Juejun Hu ha detto che c'è interesse per la possibilità di tecnologie ottiche che si possono allungare e piegare, in particolare per applicazioni quali dispositivi di monitoraggio nella pelle che potrebbero direttamente rilevare i segnali ottici. Tali dispositivi potrebbero contemporaneamente rilevare la frequenza cardiaca, i livelli di ossigeno nel sangue e anche la pressione sanguigna.
I risultati, che implicano l'uso di calcogenidi, una forma specializzata di vetro, sono descritti in un documento di Hu e altri al MIT, l'Università della Florida centrale e l'università in Cina e Francia. E' prevista per la pubblicazione dell'articolo in Light: Science and Applications.
I dispositivi fotonici elaborano fasci di luce direttamente utilizzando sistemi di LED, lenti e specchi realizzati con gli stessi tipi di processi utilizzati per la produzione di microchip elettronici. Utilizzando fasci di luce piuttosto che un flusso di elettroni si possono avere vantaggi per molte applicazioni; se i dati originali sono leggeri, ad esempio, l'elaborazione ottica evita la necessità di un processo di conversione.
In una dichiarazione, Hu ha affermato che molti dispositivi fotonici sono fabbricati da materiali rigidi su substrati rigidi e presentano una "mancata corrispondenza inerente" per applicazioni che "devono essere morbide come la pelle umana". Tuttavia, la maggior parte dei materiali morbidi, inclusi molti polimeri, presenta una bassa rifrazione indice, che porta ad una scarsa capacità di limitare un fascio luminoso.
Invece di utilizzare tali materiali flessibili, Hu e il suo gruppo hanno formato un materiale rigido, uno strato sottile di calcogenidi, in una bobina di molle. L'architettura di questa bobina di vetro consente di allungare e curvare liberamente pur mantenendo le sue proprietà ottiche desiderabili.
"Si ottiene qualcosa di flessibile come la gomma, che può piegarsi e allungarsi, e ha ancora un indice di rifrazione elevato ed è molto trasparente", ha detto Hu. Le prove hanno dimostrato che tali configurazioni a molla, realizzate direttamente su un substrato di polimero, possono subire migliaia di cicli di allungamento senza degradazione rilevabile nelle loro prestazioni ottiche.
Il gruppo ha riferito di aver prodotto una varietà di componenti fotonici, interconnessi dalle guide flessibili a molla, tutte in una matrice di resina epossidica, che è stata resa più rigida nei componenti ottici e più flessibile intorno alle guide d'onda.
Altri tipi di fotonica estensibile sono stati realizzati incorporando nanocubetti di un materiale più rigido in una base di polimeri, ma quelli richiedono processi di produzione supplementari e non sono compatibili con i sistemi fotonici esistenti, ha detto Hu.
Tali circuiti fotonici flessibili e allungabili potrebbero essere utili anche per applicazioni dove i dispositivi devono conformarsi alle superfici irregolari di un altro materiale, come ad esempio i manometri. La tecnologia ottica è molto sensibile alla deformazione, secondo Hu, e potrebbe rilevare deformazioni di meno di un centesimo di un solo per cento.
La ricerca è ancora in fase iniziale e il gruppo di Hu ha finora dimostrato dispositivi singoli.
"Per essere utile, dobbiamo dimostrare il funzionamento di tutti i componenti integrati su un singolo dispositivo", ha detto. Il lavoro è in corso per sviluppare la tecnologia in uno stato avanzato in modo che possa essere commercializzata, ed Hu ha detto che potrebbe richiedere altri due o tre anni.
Da:
https://www.theengineer.co.uk/photonic-stretch-diagnostics/?cmpid=tenews_4256801&adg=B69ABBDE-DA23-4BA2-B8C3-86E1E1A9FA79
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