O trabalho científico foi produzido pelo Prof. Dr. Michel Zamboni da FEEC/Unicamp com um importante grupo da Univ. de Harvard, e o artigo foi aceito para publicação na Nature Photonics, uma das revistas de óptica e fotônica mais importantes do mundo.
Segue abaixo informações sobre o trabalho:
Nova metodologia para hologarafia 3D baseada na superposição de folhas de luz constituídas de arranjos de feixes não difrativos.
Algo que fascina e instiga a mente humana desde há muito tempo e que trouxe verdadeiras revoluções tecnológicas com o advento do laser é a possibilidade de controlar/manipular a luz para finalidades específicas.
A forma mais direta de se obter tal controle ocorre quando colocamos a luz, que é uma onda eletromagnética, para se propagar em materiais com propriedades ópticas específicas, “forçando a luz” a ter um determinado comportamento desejado.
Ao contrário do que muitos pensam, também é possível obter um considerável controle sobre a luz que se propaga no espaço livre. Ocorre que, nesse caso, um grande obstáculo se apresenta: a difração.
De forma simples e resumida, a difração pode ser considerada um fenômeno que altera o formato da onda ao longo da propagação. Por exemplo, quanto maior a distância propagada, maior a alteração que um feixe de laser comum sofre no seu padrão/formato transversal. Pensando em mitigar os efeitos da difração, cientistas descobriram, nas décadas de 1980 e 1990, um tipo de feixe óptico chamado de feixe de Bessel, capaz de resistir aos efeitos difrativos por longas distâncias.
Tomando como base os feixes de Bessel, o Prof. Michel Zamboni Rached, docente da FEEC-Unicamp, desenvolveu e publicou no ano de 2004 os chamados feixes “Frozen Waves”, que são feixes de luz (laser) não apenas resistentes aos efeitos da difração, mas que podem ter seus padrões de intensidade controlados de forma predeterminada. O controle sobre o padrão espacial de um feixe óptico acabou possibilitando o controle de outras propriedades fundamentais da luz, como a fase, a polarização e o momento angular orbital ao longo da propagação. Em razão desse controle sobre propriedades fundamentais da luz no espaço livre, esses feixes ópticos especiais também são chamados de “luz estruturada”.
A partir do trabalho sobre as Frozen Waves, iniciou-se uma série de colaborações entre o grupo do Prof. Michel, da FEEC-Unicamp, com grupos de pesquisas nacionais (da UFABC, USP e UFC) e internacionais (EUA, Canadá, Itália, China, França, etc.), gerando uma série de trabalhos teóricos e experimentais inovadores em sensoriamento remoto, pinças ópticas comunicações ópticas, guiamento óptico de átomos, etc. Dentre esses desenvolvimentos, um particularmente interessante foi proposto pelo grupo do Prof. Leonardo A. Ambrosio (da Escola de Engenharia de São Carlos, USP), onde, teoricamente, arranjos de feixes Frozen Waves com os formatos desejados são alocados para a obtenção de padrões superficiais de luz, ou seja, folhas de luz.
Pensando na possibilidade da geração experimental e possíveis aplicações desses arranjos superficiais de Frozen Waves, o Prof. Michel e o grupo do Prof. Leonardo iniciaram uma colaboração com o famoso grupo do Prof. Federico Capasso, da Universidade de Harvard. Esse trabalho conjunto, com a teoria desenvolvida pelo lado Brasileiro associada à expertise experimental e estrutura laboratorial do lado Americano, deu origem ao importante artigo intitulado “Light sheets for continuous-depth holography and three-dimensional volumetric displays”, aceito para publicação pela prestigiosa revista científica Nature Photonics.
Neste trabalho, as folhas de luz constituídas por arranjos de Frozen Waves foram não apenas projetadas teoricamente e geradas experimentalmente, mas também foram “empilhadas”, de tal forma a gerarem cenas tridimensionais. Mais especificamente, os resultados apontam para uma nova e promissora técnica holográfica tridimensional, onde, ao contrário das técnicas tradicionais, a luz é
arranjada em planos perpendiculares, e não paralelos, ao do display óptico.
Na já conhecida holografia multiplanar de Fresnel, uma imagem 3D pode ser obtida a partir de imagens 2D projetadas em planos paralelos ao display óptico em diferentes profundidades; porém, além do fato dessas imagens sofrerem os efeitos da difração, o espaçamento entre elas não se mantém uniforme, isso afeta a resolução axial da imagem 3D resultante bem como a percepção de profundidade da mesma. Já com a holografia feita a partir de arranjos de Frozen Waves em folhas de luz, as imagens 2D paralelas são dispostas em planos perpendiculares ao display óptico, possuem espaçamento uniforme e são menos afetadas pelos efeitos da difração, resultando numa imagem 3D com melhor resolução axial e maior percepção de profundidade.
Este método holográfico inovador poderá ter impacto em realidade virtual e aumentada, imagens biológicas, displays volumétricos, interações humano-computador, ferramentas educacionais interativas, etc, sendo que as tratativas para a proteção da propriedade intelectual já foram iniciadas, e a equipe agora busca oportunidades para exploração comercial.
A lista de autores inclui o Prof. Michel Zamboni Rached, da FEEC/Unicamp, o Prof. Leonardo A. Ambrosio, o estudante de doutorado Vinicius Soares de Angelis e o estudante de mestrado Jhonas Olivati de Sarro, da EESC/USP; o prof. Federico Capasso, o pós-doutorando Ahmed Dorrah e o estudante de graduação Priyanuj Bordoloi, da SEAS/Universidade de Harvard.
O trabalho está agendado para publicação na revista Nature Photonics em 10 de abril de 2023, às 16 horas (GMT +0), e foi financiado por: Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (processo no. PDF-533013-2019); Office of Naval Research sob o programa MURI (processo no. N00014-20-1-2450); Air Force Office of Scientific Research (processo no. FA9550-21-1-0312); São Paulo Research Foundation, FAPESP (processos nos. 2021/15027-8, 2020/05280-5, e 2021/06121-0); Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico, CNPq (processos nos. 140270/2022-1, 309201/2021-7, e 306689/2019-7).
