CHLB ĐỨC – Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Cologne (University of Cologne), Đại học Hasselt (Hasselt University – Bỉ) và Đại học St Andrews (University of St Andrews – Scotland) đã thành công trong việc sử dụng nguyên lý cơ học lượng tử của sự kết hợp ánh sáng – vật chất mạnh cho một công nghệ quang học mang tính đột phá, khắc phục được vấn đề về sự phụ thuộc góc trong của các hệ thống quang học. Nghiên cứu ‘‘Breaking the angular dispersion limit in thin film optics by ultra-strong light-matter coupling’, được công bố trên tạp chí Nature Communications, trình bày các bộ lọc polariton màng mỏng siêu ổn định đã mở ra những con đường mới trong lĩnh vực quang tử học, công nghệ cảm biến, hình ảnh quang học và công nghệ màn hình. Nghiên cứu tại đại học Cologne được dẫn dắt bởi Giáo sư Tiến sĩ Malte Gather, giám đốc Trung tâm Humboldt Centre for Nano – and Biophotonics tại Khoa Hóa học và Hóa sinh thuộc Khoa Toán học và Khoa học Tự nhiên.

Bộ lọc quang học là thiết bị quan trọng cho nhiều ứng dụng. Tuy nhiên, hiệu suất của chúng giảm đi khi bị ánh sáng chiếu vào ở các góc khác nhau – màu sắc của ánh sáng truyền qua sẽ thay đổi tùy thuộc vào góc chiếu. Sự giảm hiệu suất này là do các nguyên lý vật lý cơ bản và có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến quang học.

Bộ lọc thông thường

Giải pháp polariton do nhóm nghiên cứu quốc tế phát triển thông qua nguyên lý của cơ học lượng tử: khi các hạt ánh sáng liên kết chặt chẽ với trạng thái năng lượng của vật liệu hữu cơ.

Các bộ lọc màng mỏng thông thường bao gồm nhiều lớp trong suốt xen kẽ, thường được làm bằng oxit kim loại. Ánh sáng được phản xạ hoặc truyền đi một phần bởi các lớp riêng lẻ này. Độ dày của chúng sau đó xác định màu sắc của ánh sáng truyền qua giao thoa của sóng ánh sáng, tương tự như màu sắc lấp lánh của bong bóng xà phòng. Các đặc tính truyền và phản xạ của bộ lọc có thể được điều chỉnh thông qua sự tương tác được kiểm soát của nhiều lớp mỏng. Tuy nhiên, nguyên lý vật lý này khiến các bộ lọc về cơ bản dễ bị hiện tượng tán sắc góc – sự dịch chuyển các đặc tính quang phổ về phía ánh sáng có bước sóng ngắn hơn (blueshift) khi bộ lọc bị nghiêng. Trong phương pháp tiếp cận mới, các nhà khoa học tích hợp các thuốc nhuộm hữu cơ hấp thụ mạnh vào các bộ lọc quang học, dẫn đến sự kết hợp mạnh mẽ của ánh sáng giao thoa với thuốc nhuộm.

Bộ lọc Polariton

Tiến sĩ Andreas Mischok từ đại học Cologne, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, đã nói rằng: “Thông thường, người ta cần tránh các loại hấp thụ vào trong các bộ lọc quang phổ để không làm giảm chất lượng quang học của chúng. Tuy nhiên, chúng tôi đặc biệt sử dụng khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh trong các vật liệu hữu cơ, để tạo ra các chế độ phân cực ổn định về góc với các đặc tính truyền dẫn tuyệt vời”.

Nhóm nghiên cứu đã có thể phát triển các bộ lọc có độ ổn định góc đặc biệt, cho thấy độ dịch chuyển quang phổ dưới 15 nm ngay cả ở góc cực đại trên 80°. Các thiết kế nhiều lớp phức tạp cũng cho thấy khả năng truyền đỉnh lên tới 98% – một giá trị tương đương với các bộ lọc thông thường tốt nhất hiện có.

Trong một dự án nghiên cứu hợp tác với nhóm của Giáo sư Tiến sĩ Koen Vandewal từ đại học Hasselt, các nhà khoa học đã tích hợp các bộ lọc polariton vào các điốt quang hữu cơ để tạo ra các bộ dò quang băng hẹp, mở đường cho những tiến bộ trong công nghệ hình ảnh siêu quang phổ, ví dụ như để phân tích đặc tính vật liệu và cảm biến quang học kích thước nhỏ.

Nghiên cứu cho thấy khả năng ứng dụng công nghệ này vào polyme, perovskite, chấm lượng tử và các vật liệu khác, do đó chuyển nguyên lý bộ lọc mới sang phạm vi bước sóng. Các lĩnh vực ứng dụng bộ lọc polariton bao gồm quang học vi mô, màn hình, công nghệ cảm biến và quang sinh học. Trong tất cả các lĩnh vực này, tính độc lập về góc của bộ lọc mới có thể đơn giản hóa đáng kể thiết kế hệ thống quang học và mở rộng chức năng của chúng. Giáo sư Malte Gather đã nói rằng: “Đây là một thay đổi mang tính đột phá trong cách chúng tôi thiết kế bộ lọc quang học. Bằng cách giải quyết vấn đề phân tán góc bằng một phương pháp tiếp cận hoàn toàn mới, chúng tôi đang mở ra những khả năng hoàn toàn mới cho hệ thống quang học”.

Nhóm nghiên cứu xem bộ lọc polariton là nền tảng cho thế hệ linh kiện quang học tiếp theo có tiềm năng khoa học và kinh tế to lớn. Ngoài việc tích hợp bộ lọc vào các cảm biến như LiDAR (light detection and ranging) (1) và kính hiển vi huỳnh quang, công việc trong tương lai sẽ tập trung vào các ứng dụng trong công nghệ màn hình.
(1) LiDAR: là một phương pháp khảo sát đo khoảng cách tới mục tiêu, bằng cách chiếu sáng mục tiêu đó bằng một tia lazer xung quanh và đo các xung phản xạ bằng một cảm biến.

Để xem các tin bài khác về “Cảm biến quang học”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online