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.

Francesco Aieta, Federico Capasso và Patrice Genevet

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

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

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Khi dòng điện tác dụng lên nam châm
08/06/2022
Khả năng khai thác lượng điện năng có vẻ vô tận là một trong những nền tảng của thế giới hiện đại. Công nghệ ấy
Nhận thức lịch sử về nam châm
28/05/2022
Vào năm 1600, một bác sĩ người Anh cho biết ngoài trọng lực, Trái Đất còn tác dụng những lực khác khi ông chỉ ra rằng hành
Photon là gì?
25/07/2021
Là hạt sơ cấp của ánh sáng, photon vừa bình dị vừa mang đầy những bất ngờ. Cái các nhà vật lí gọi là photon, thì những
Lược sử âm thanh
28/02/2021
Sóng âm: 13,7 tỉ năm trước Âm thanh có nguồn gốc từ rất xa xưa, chẳng bao lâu sau Vụ Nổ Lớn tĩnh lặng đến chán ngắt.
Đồng hồ nước Ktesibios
03/01/2021
Khoảng năm 250 tCN. “Đồng hồ nước Ktesibios quan trọng vì nó đã làm thay đổi mãi mãi sự hiểu biết của chúng ta về một
Tic-tac-toe
05/12/2020
Khoảng 1300 tCN   Các nhà khảo cổ có thể truy nguyên nguồn gốc của “trò chơi ba điểm một hàng” đến khoảng năm 1300
Sao neutron to bao nhiêu?
18/09/2020
Các nhà thiên văn vật lí đang kết hợp nhiều phương pháp để làm hé lộ các bí mật của một số vật thể lạ lùng nhất
Giải chi tiết mã đề 219 môn Vật Lý đề thi TN THPT 2020 (đợt 2)
04/09/2020

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com