Từ màn hình chiếu phim 3D đến các thiết bị thực tế tăng cường (AR), nhiều công nghệ hiện đại phụ thuộc vào khả năng điều khiển ánh sáng. Tuy nhiên, việc thực hiện điều này một cách hiệu quả và tiết kiệm chi phí thường là một thách thức kỹ thuật lớn.

Sơ đồ của đèn LED phát ánh sáng phân cực tròn (CP) dựa trên vật liệu InGaN, trong đó một siêu bề mặt (metasurface) đơn lớp được tích hợp trực tiếp lên bề mặt phát xạ của đèn LED để chuyển đổi ánh sáng không phân cực thành ánh sáng phân cực tròn. Nguồn: Shuhei Ichikawa

Trong một bài báo đăng trên tạp chí Optics Letters, các nhà nghiên cứu từ Đại học Osaka đã công bố một thiết kế đi-ốt phát quang (LED) mới có thể giúp thu nhỏ các hệ thống quang học phức tạp thành những thiết bị cực kỳ nhỏ gọn. Đèn LED này tạo ra ánh sáng phân cực tròn bằng cách sử dụng một siêu bề mặt cấu trúc nano (nanostructured surface) được tích hợp sẵn, loại bỏ sự cần thiết của các linh kiện quang học cồng kềnh bên ngoài.

Ánh sáng phân cực tròn, với điện trường quay dạng xoắn ốc theo hướng truyền, là yếu tố thiết yếu cho các công nghệ như màn hình 3D, hệ thống ghi nhận hình ảnh tiên tiến và các công cụ truyền thông lượng tử. Theo phương pháp truyền thống, việc tạo ra loại ánh sáng này đòi hỏi các thành phần quang học như kính phân cực (polarizers) và các bản thạch anh (waveplates) đặc biệt để làm biến đổi pha của ánh sáng. Tuy nhiên, những thành phần này khiến thiết bị trở nên lớn hơn, phức tạp và khó tích hợp hơn.

Tác giả liên hệ Shuhei Ichikawa cho biết: "Mục tiêu của chúng tôi là đơn giản hóa cách thức tạo ra ánh sáng phân cực tròn". "Bằng cách tích hợp khả năng kiểm soát phân cực trực tiếp vào đèn LED thông qua một siêu bề mặt được thiết kế đặc thù, chúng tôi loại bỏ được nhu cầu sử dụng các linh kiện quang học bổ sung".

Siêu bề mặt này bao gồm các trụ nano (nanopillars) gallium nitride cực nhỏ được sắp xếp theo một vi cấu trúc lưới được tính toán kỹ lưỡng ngay trên bề mặt của đèn LED bán dẫn. Các cấu trúc kích thước nano này điều khiển pha của ánh sáng sao cho ánh sáng phân cực tròn theo một chiều nhất định sẽ được truyền qua có chọn lọc, trong khi sự phân cực ở chiều ngược lại bị triệt tiêu.

Tác giả cấp cao Shuhei Ichikawa giải thích: "Các mô phỏng máy tính cho thấy thiết kế này có thể tạo ra ánh sáng phân cực tròn với cường độ mạnh, đồng thời cho phép khoảng 35% ánh sáng của đèn LED xuyên qua bề mặt cấu trúc nano". "Mức hiệu suất đó đã tiệm cận với giới hạn tối đa theo lý thuyết là 50%".

Không giống như nhiều thiết kế đèn LED phân cực tròn trước đây vốn sử dụng vật liệu hữu cơ hoặc các hệ thống dựa trên spin phức tạp, thiết kế mới này sử dụng vật liệu vô cơ bền bỉ, mở ra triển vọng cho các nguồn sáng phân cực tròn có độ bền cao và mang tính thực tiễn hơn.

Ichikawa cho biết: "Về mặt lý thuyết, luôn có sự đánh đổi (tradeoff) giữa hiệu suất phát sáng của đèn LED và độ phân cực (polarization degree) - thước đo xác định mức độ chiếm ưu thế của một trạng thái phân cực". "Điều tuyệt vời nhất ở thiết bị này là chúng tôi đã tìm ra phương pháp để duy trì cả hai thông số này ở mức cao".

Trong tương lai, các nguồn sáng phân cực tròn nhỏ gọn này có thể giúp tối giản phần cứng quang học được sử dụng trong kính thực tế ảo, màn hình 3D độ phân giải cao và các công nghệ quang tử (photonic technologies) mới nổi. Nhờ nghiên cứu này, tương lai của các thiết bị quang học siêu nhỏ và hiệu suất cao đang trở nên vô cùng hứa hẹn.

P.T.T (NASTIS), theo https://phys.org/news/