Thấu kính phẳng đầu tiên hội tụ ánh sáng mà không méo ảnh

Các nhà vật lí ở Mĩ vừa chế tạo ra thấu kính phẳng cực mỏng đầu tiên. Nhờ tính phẳng của nó, dụng cụ loại trừ được quang sai xảy ra ở những thấu kính thông thường có mặt khúc xạ cầu. Nhờ vậy, sức hội tụ của thấu kính cũng đạt tới giới hạn vật lí tối hậu đặt ra bởi các định luật nhiễu xạ.

Từ trái sang: Francesco Aieta, Federico Capasso và Patrice Genevet. (Ảnh: Eliza Grinnell, SEAS Communications)

“Hãy tưởng tượng nếu bạn thay cái thấu kính trong điện thoại di động bằng một thấu kính phẳng và cực mỏng – khi đó bạn có thể biến chiếc điện thoại thông minh của mình xuống bề dày bằng một cái thẻ tín dụng,” phát biểu của Federico Capasso thuộc Khoa Kĩ thuật và Ứng dụng Harvard, người đứng đầu nhóm nghiên cứu trên. “Đa số những dụng cụ quang có mặt trong những dụng cụ ngày nay đều khá cồng kềnh vì sự định hình chùm ánh sáng được thực hiện bằng cách thay đổi quang trình của những tia sáng tới, nó đòi hỏi sự biến thiên bề dày thấu kính. Ở thấu kính của chúng tôi, toàn bộ sự định hình chùm ánh sáng được thực hiện trên bề mặt phẳng chỉ dày 60 nm của nó.”

Ở một thấu kính bình thường, tia sáng truyền qua vùng dày ở giữa mất nhiều thời gian hơn khi truyền qua vùng rìa mỏng do vận tốc pha của ánh sáng trong thủy tinh nhỏ hơn so với trong không khí. Sự phân bố trễ pha như thế này ở thấu kính dẫn tới sự khúc xạ ánh sáng và sự hội tụ.

Siêu mặt vi cấu trúc

Thấu kính phẳng cực mỏng mới khác ở chỗ nó là một “siêu mặt” vi cấu trúc gồm những thành phần định hình chùm tia mỏng gọi là anten quang học, chúng cách nhau những khoảng ngắn hơn bước sóng của ánh sáng mà chúng hội tụ. Những anten này là những thành phần kim loại cỡ bước sóng gây ra một sự trễ pha nhỏ ở tia sáng tán xạ từ chúng ra. Siêu mặt đó có thể được điều chỉnh cho những bước sóng ánh sáng nhất định bằng cách dễ dàng thay đổi kích cỡ, góc và khoảng cách giữa các anten nano.

“Cái anten không gì hơn là một bộ cộng hưởng lưu trữ ánh sáng và sau đó giải phóng sau một sự trễ thời gian ngắn,” Capasso nói. “Sự trễ này làm thay đổi hướng của ánh sáng theo kiểu giống như cái xảy ra ở một thấu kính thủy tinh dày.”

Bề mặt thấu kính được chạm trổ các anten có hình dạng và kích cỡ khác nhau định hướng theo những chiều khác nhau. Bố trí này gây ra sự trễ pha phân bố tỏa tròn xung quanh thấu kính nên tia sáng bị khúc xạ xa tâm hơn, gây ra hiệu ứng hội tụ ánh sáng tới đến một điểm chính xác.

Không có quang sai đơn sắc

Thấu kính mới không chịu những đặc điểm méo ảnh, gọi là quang sai đơn sắc, hiện tượng thường thấy ở những thấu kính có bề mặt cầu. “Quang sai cầu, coma và sắc sai bị loại trừ hết và ta thu được một tiêu điểm chính xác, bị giới hạn nhiễu xạ đã biết rõ. Điều này vẫn đúng khi tia sáng đi tới thấu kính cách xa tâm hay với góc tới lớn, nên không cần đến những kĩ thuật hiệu chỉnh phức tạp.”

Ảnh chụp hiển vi của thấu kính phẳng (đường kính chừng 1 mm) cấu tạo từ silicon (trái). Bề mặt kính được tráng những vòng tròn đồng tâm gồm những anten nano quang bằng vàng (khung hình nhỏ), chúng gây ra những sự trễ khác nhau đối với ánh sáng truyền qua thấu kính. Các vòng màu (bên phải) thể hiện độ lớn và độ trễ pha tương ứng với mỗi vòng. (Ảnh: Francesco Aieta)

Đội Harvard chế tạo thấu kính của họ bằng cách trước tiên là cho lắng một lớp vàng mỏng cỡ nanomet. Sau đó các nhà nghiên cứu tách một phần lớp vàng đó ra, để lại một ma trận những cấu trúc hình chữ V (các anten nano) cách đều nhau theo hàng trên mặt của một bánh xốp silicon.

Những ứng dụng dễ thấy nhất cho thấu kính trên là nhiếp ảnh và hiển vi học. “Ví dụ, những vật kính nhỏ với khẩu độ số rất lớn có thể đã được nghĩ tới, nhưng chúng tôi còn tưởng tượng đến những sợi quang có có bề mặt được chạm trổ cho những ứng dụng mới trong chụp ảnh và y khoa, và nói chung cho bất cứ nơi nào người ta cần thay một thấu kính bình thường bằng một thấu kính phẳng,” Capasso nói.

Hướng tới hội tụ dải rộng

Mặc dù thấu kính trên chỉ mới ở giai đoạn chứng minh trên nguyên lí, nhưng Capasso và các đồng sự đã nhận được vô số lời mời chào từ các nhà nhiếp ảnh và nhà thiên văn học trên khắp thế giới. Hiệu suất hội tụ ánh sáng của thấu kính trên hiện nay vẫn khá nhỏ nhưng, theo đội nghiên cứu, nó có thể dễ dàng tăng lên bằng cách tăng mật độ khắc các anten quang và bằng cách sử dụng những thiết kế thấu kính phẳng khác. “Cho đến nay, thấu kính trên chỉ hội tụ được những bước sóng ánh sáng nhất định nhưng bằng cách sắp xếp những phân bố anten khác nhau lên trên siêu mặt kính, thì nó có thể hội tụ dải rộng, “Capasso nói.

Các nhà nghiên cứu đã chế tạo thấu kính của họ bằng kĩ thuật in khắc chùm electron, đó không phải là kĩ thuật thực tiễn nhất vì nó tốn nhiều thời gian. “May thay, có nhiều kĩ thuật in litô đang xuất hiện có thể thích hợp cho việc sản xuất hàng loạt, ví dụ như in khắc nano và in litô mềm, chúng có thể cực kì hữu dụng cho việc khắc thấu kính của chúng tôi trên những chất nền dẻo,” Capasso nói. “Như vậy kĩ thuật này tự nó sẽ mở ra cả một vùng trời ứng dụng hấp dẫn.”

Tham khảo: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl302516v

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com