Photochromic materials for smart optical applications

Photochromic materials have been largely studied in the last decades for the ability of change their chemical/physical properties as a response to a light stimuli, opening research lines in many different fields. Nowadays the challenge is to design materials with high performance in terms of properties modulation, durability and production efficiency, which could be appealing for the development of applications for the scientific and Industrial community. Our project aims at the design of photochromic materials mainly for optical applications, but also in the realization of patterns for micro-printing processes. Here, the approach considers the light-induced chromatic variation of photochromic layers as a transparency modulation, which can be exploited in devices that require filtering light in a target spectral region. Moreover, thanks to the modulation of refractive index in the NIR, such photochromic film can be used in phase modulating devices. We also exploit the difference in mobility of the molecular isomers, for Surface Relief Gratings (SRG) production. Among the different photochromic materials we selected two different classes: diarylethenes, because they combine an efficient photochromism with a good control over the differently coloured states; Spirooxazine, which have been proved to be efficient in SRG production. Three applications are considered in the project, namely: i) Rewritable FPMs (Focal Plane Masks) for astronomical instrumentation, able to select sky objects of interest avoiding light contamination coming from the surrounding. ii) Rewritable CGHs (Computer Generated Holograms) for optical metrology of free-form optical elements. iii) AMOL (Amplitude Modulation Optical Lithography) technique. A photochromic film is used as a lithographic mask by exposing it to a complex pattern of UV and Visible light. This mask allows writing mono- and bi-dimensional micrometric structure in a fast and cheap way. The same illumination technique is used also in the case of spirooxazine, to promote SRG formation, obtaining similar micrometric patterns. For each applications we have followed the same strategy. Characterization of the molecular properties, then production and test of the photochromic material. Follows the building of the experimental set up to produce the final device, which can be a laser writing machine to convert the materials point by point, or an optical system able to shine all sample at the same time, with a desired pattern. The last step is the production and test of the device to verify its performance.

I materiali fotocromici sono stati ampiamente studiati negli ultimi decenni per la capacità di modificare le loro proprietà chimico/fisiche in risposta a stimoli luminosi, aprendo linee di ricerca in molti campi diversi. Oggigiorno la sfida è progettare materiali con alte prestazioni in termini di: modulazione delle loro proprietà, resistenza alla fatica ed efficienza in fase di produzione. Il nostro progetto mira alla progettazione di materiali fotocromatici principalmente per applicazioni ottiche, ma anche alla realizzazione di stampi per il trasferimento di strutture su scala micrometrica. Il nostro approccio consiste nel considerare la variazione cromatica del materiale indotta dalla luce come una modulazione di trasparenza, che può essere sfruttata in dispositivi che richiedono di filtrare la radiazione luminosa in una regione spettrale di specifica. Inoltre, grazie alla modulazione dell'indice di rifrazione nel NIR, i film fotocromici possono essere utilizzati in dispositivi che sfruttano la modulazione di fase. Infine, la differente mobilità degli isomeri nelle due forme, può essere sfruttata per la produzione di SRG (Surface Relief Gratings). Tra i diversi materiali fotocromici abbiamo selezionato due classi diverse: i diarileteni, perché combinano un fotocromismo efficiente con un buon controllo sugli stati di colore e le spirooxazine, che si sono dimostrate efficaci nella produzione di SRG. Nel progetto sono prese in considerazione tre applicazioni: i) FPM-riscrivibili (Focal Plane Masks) per strumentazione astronomica, in grado di selezionare gli oggetti celesti di interesse evitando la contaminazione proveniente dall'ambiente circostante. ii) CGH riscrivibili (Computer Generated Hologram) per la ricostruzione di immagini e di fronti d’onda complessi. iii) AMOL (Amplitude Modulation Optical Lithography). Questa tecnica permette di utilizzare un film fotocromico come maschera litorgrafica, illuminandolo contemporaneamente con luce visibile e UV. In questo modo è possibile realizzare strutture micrometriche mono e bidimensionali in modo rapido ed economico. La stessa tecnica di illuminazione è utilizzata anche nel caso delle spirooxazine, per promuovere la formazione di SRG. Per ogni applicazione abbiamo seguito la stessa strategia: Caratterizzazione delle proprietà molecolari, quindi produzione e caratterizzazione del materiale fotocromico in forma di film sottile. Segue l’assemblaggio del sistema di scrittura. Infine il dispositivo viene realizzato e testato per verificarne le prestazioni.