Các nhà khoa học phát triển ống kính multi-lớp từ metamaterial, mỏng hơn sợi tóc, có thể lấy nét nhiều bước sóng khác nhau mà không phụ thuộc phân cực. Thiết kế dễ chế tạo nhờ tỉ lệ cao-thấp và quy trình bán dẫn hiện có. Công nghệ này hướng đến ứng dụng cho điện thoại, drone và vệ tinh.
Điểm nổi bật:
- Thiết kế đa lớp từ metamaterial cho phép lấy nét nhiều bước sóng.
- Cấu trúc kim loại mỏng, dễ chế tạo và vô hướng phân cực.
- Thuật toán thiết kế ngược tạo hình dạng nano đa dạng như cánh quạt và bốn cánh.
- Ứng dụng tiềm năng cho điện thoại thông minh, drone và vệ tinh quan sát Trái Đất.
Giới thiệu
Một cách tiếp cận mới để chế tạo ống kính đa màu sắc có thể mở ra thế hệ quang học nhỏ gọn, giá rẻ và mạnh mẽ cho điện thoại, drone và vệ tinh.
Minh họa đa lớp Huygens’ metalens. Nguồn: Optics Express (2025). DOI: 10.1364/OE.564328
Thiết kế sử dụng các lớp metamaterial để đồng thời lấy nét nhiều bước sóng từ nguồn không phân cực và trên đường kính lớn, khắc phục hạn chế chính của metalens, theo Joshua Jordaan từ Đại học Quốc gia Úc và ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems.
“Thiết kế của chúng tôi có nhiều tính năng hữu ích cho thiết bị thực tiễn. Nó dễ chế tạo vì tỉ lệ cao-thấp thấp và mỗi lớp có thể được sản xuất riêng và đóng gói chung. Nó cũng không nhạy với phân cực và có thể mở rộng qua nền tảng chế tạo nano bán dẫn hiện có,” Jordaan cho biết.
Dự án do Friedrich Schiller University Jena (Đức) dẫn đầu trong nhóm đào tạo quốc tế Meta-ACTIVE. Bài báo công bố trên Optics Express.
Metalens chỉ mỏng bằng phần nhỏ của sợi tóc, mỏng hơn nhiều so với thấu kính truyền thống, và có thể thiết kế độ dài tiêu cự ngắn đến mức không thể với quang học thông thường.
Giải pháp đa lớp và thuật toán thiết kế
Ban đầu, nhóm thử lấy nét nhiều bước sóng với một lớp đơn, nhưng gặp giới hạn vật lý về độ trễ nhóm tối đa và mối quan hệ giữa khẩu độ số, đường kính và băng thông hoạt động.
Joshua Jordaan, nghiên cứu sinh Tiến sĩ, làm việc trên các khía cạnh lý thuyết. Ảnh: Dr. Phil Dooley, ANU
Chuyển sang thiết kế đa lớp, nhóm sử dụng thuật toán thiết kế ngược dựa trên tối ưu hóa hình dạng, với tham số hóa nhiều độ tự do. Họ hướng phần mềm tìm các hình dạng metasurface tạo cộng hưởng Huygens về điện và từ cho mỗi bước sóng.
Qua đó, họ cải thiện các thiết kế trước, đạt được thiết kế không phụ thuộc phân cực và dung sai cao trong sản xuất—điều quan trọng để mở rộng quy mô công nghiệp.
Bộ thư viện các phần tử metamaterial đa dạng hình dạng như vuông bo góc, cỏ bốn lá và cánh quạt cao khoảng 300 nm và rộng 1000 nm, bao phủ toàn bộ pha từ 0 đến 2π, cho phép tạo bản đồ pha để lấy nét theo bất kỳ cấu hình nào, dù nhóm ban đầu chỉ nhắm đến cấu trúc vòng đơn giản.
“Chúng tôi có thể, ví dụ, lấy nét các bước sóng khác nhau tới các vị trí khác nhau để tạo bộ định tuyến màu,” Jordaan nói.
Tuy nhiên, phương pháp đa lớp giới hạn ở tối đa khoảng năm bước sóng do yêu cầu kích thước cấu trúc và tránh nhiễu xạ từ bước sóng ngắn hơn.
Trong giới hạn này, khả năng thu nhiều ánh sáng khiến thiết kế rất phù hợp cho hệ thống chụp ảnh di động trong tương lai.
“Metalens của chúng tôi lý tưởng cho drone hoặc vệ tinh quan sát Trái Đất vì chúng nhỏ và nhẹ nhất có thể,” Jordaan nói.
Việc ứng dụng ống kính metamaterial đa lớp tại Việt Nam hứa hẹn thúc đẩy ngành công nghiệp hình ảnh di động, đặc biệt trong lĩnh vực drone nông nghiệp và giám sát môi trường. Với khả năng giảm kích thước, trọng lượng và chi phí, các doanh nghiệp công nghệ Việt Nam có thể tích hợp giải pháp này vào thiết bị không người lái để giám sát ruộng đồng, rừng và vùng ven biển. Đồng thời, các trung tâm nghiên cứu và trường đại học trong nước có thể tận dụng phương pháp thiết kế ngược để phát triển bản địa hóa, đào tạo nguồn nhân lực chuyên sâu về quang học nano. Sự chuyển giao công nghệ thương mại dễ dàng dựa trên quy trình bán dẫn hiện có sẽ thúc đẩy khởi nghiệp sáng tạo và gia tăng khả năng cạnh tranh của Việt Nam trên bản đồ công nghệ quang học khu vực.
