Il metodo sviluppato dai ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) può rappresentare ologrammi, visualizzabili da qualsiasi angolazione come se fossero fisicamente presenti, con una profondità continua.
L’olografia – l’uso della proiezione della luce per visualizzare le immagini – può essere utilizzata per costruire ologrammi, strutture tridimensionali di luce che raffigurano oggetti e scene realistici. Le tecnologie odierne non sono ancora in grado di produrre gli ologrammi incredibilmente realistici dei film di fantascienza, ma i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno fatto un salto significativo verso questo obiettivo.
Un modo completamente nuovo per creare ologrammi
Un team di scienziati e ingegneri guidato da Federico Capasso, Robert L. Wallace e Vinton Hayes ha riportato in Nature Photonics un modo completamente nuovo di creare ologrammi utilizzando fili di luce stratificati per costruire fogli 2D contenenti matrici di luce strettamente controllate. Questi fogli possono quindi essere impilati per rappresentare oggetti 3D.
“Questa ricerca sfrutta in modo innovativo la tecnologia ampiamente utilizzata e commercialmente consolidata dei modulatori di luce spaziale per modellare la luce mentre si propaga, creando una classe completamente nuova di ologrammi“, afferma Capasso. “Prevedo che questo metodo olografia avrà un impatto sulla realtà virtuale e aumentata, sull’imaging biologico, sui display volumetrici, sulle interazioni uomo-computer, sugli strumenti educativi interattivi e altro ancora”.
I metodi tradizionali dell’olografia dispongono la luce in piani che si allontanano dall’occhio dello spettatore come una serie di domino sequenziali, il che è problematico perché gli strati più lontani diventano più difficili da vedere.
Per risolvere questo problema, il team di Capasso e i collaboratori dell’Università di San Paolo e dell’Università statale brasiliana di Campinas hanno ideato un metodo olografico per propagare fette di luce perpendicolarmente al display ottico, in modo che lo spettatore guardi lungo l’intera lunghezza delle fette.
“In questo modo, abbiamo mitigato il problema della percezione della profondità che ha tradizionalmente influenzato l’olografia”, afferma Ahmed Dorrah, primo autore dell’articolo e ricercatore associato nel gruppo Capasso. “Possiamo anche ottenere fogli di luce uniformemente distanziati mantenendo una bassa diafonia tra i fogli e un’alta risoluzione delle immagini e degli oggetti rappresentati”.
Un metodo per rappresentare in futuro qualsiasi ologramma 3D
Dorrah afferma che un giorno il metodo potrebbe essere utilizzato per rappresentare qualsiasi ologramma 3D, visualizzabile da qualsiasi angolazione con profondità continua, come se fosse fisicamente presente. “Al centro di questo sviluppo c’è un tipo speciale di raggio di luce chiamato raggio di Bessel“, afferma. A differenza dei raggi laser più comunemente usati che diffrangono e diventano meno intensi man mano che si allontanano dalla loro sorgente, i raggi di Bessel mantengono la loro intensità e possono persino “guarirsi” dopo aver incontrato ostacoli avvolgendosi attorno ad essi.
«I raggi di Bessel si espandono verso l’esterno in uno schema ad anello. La combinazione di più di un raggio di Bessel, un processo chiamato sovrapposizione, fornisce un controllo preciso sull’intensità della luce lungo un dato punto attraverso l’interferenza“, afferma Michel Zamboni-Rached, professore di ingegneria elettrica presso l’Università statale brasiliana di Campinas e collaboratore senior di questo lavoro . “Puoi illuminare in modo selettivo le parti desiderate di questi fogli luminosi”, aggiunge, senza perdere la profondità di campo cruciale per rappresentare immagini e oggetti in modo nitido.
Impilando questi fasci sovrapposti insieme per formare fogli di luce, è possibile creare in modo additivo una proiezione “stampata in 3D” fatta di luce strutturata con precisione. Il team di Capasso è particolarmente interessato a sfruttare questo nuovo metodo per migliorare la ricerca biologica.
Il nuovo metodo olografia è stato scoperto in modo fortuito dal team di Capasso. Dorrah ei suoi collaboratori dal Brasile avevano sviluppato tecniche per intrappolare le particelle nei punti focali usando i fasci di luce di Bessel, in modo che gli atomi in punti specifici dello spazio e del tempo potessero essere studiati meglio. Fu allora che il team iniziò a chiedersi se l’impilamento di queste travi in forme di fogli potesse essere utilizzato per costruire ologrammi.
Il gruppo è rimasto sbalordito quando ha testato la tecnica e ha visto come funzionava bene. “Di solito, sviluppiamo una nuova teoria, la testiamo con un esperimento, i risultati sono imperfetti e poi ripensiamo il nostro approccio”, afferma Leonardo Ambrosio, professore di ingegneria elettrica all’Università di San Paolo e un altro collaboratore senior. “Ma questa volta, i nostri esperimenti iniziali hanno superato di gran lunga anche le nostre aspettative più ottimistiche. Siamo rimasti stupiti dalla complessità delle immagini e degli oggetti che potevamo realizzare”.
L’Office of Technology Development di Harvard ha protetto la proprietà intellettuale derivante dalla nuova tecnica di olografia del Capasso Lab e sta esplorando opportunità di commercializzazione.
Altri autori includono Priyanuj Bordoloi, Vinicius S. de Angelis e Jhonas O. de Sarro.
Questo lavoro è stato supportato dal Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (premio n. PDF-533013-2019), dall’Office of Naval Research nell’ambito del programma MURI (concessione n. N00014-20-1-2450), dall’Air Force Office of Scientific Research (concessione n. FA9550-21-1-0312), il Consiglio nazionale per lo sviluppo scientifico e tecnologico (concessione n. 140270/2022, 309201/2021-7 e 306689/2019-7) e il Sao Paulo Research Foundation (concessione n. 2021/15027-8, 2020/05280-5 e 2021/06121-0).
