SINGAPORE – Một nhóm các nhà khoa học do Đại học Công nghệ Nanyang (NTU Singapore – Nanyang Technological University) dẫn đầu, đã phát triển một loại tia laser siêu nhỏ, tiết kiệm năng lượng và tiêu thụ ít điện năng. Với kích thước nhỏ hơn một hạt cát, laser có kích thước micromet này được thiết kế đặc biệt giúp giảm thiểu rò rỉ ánh sáng. Việc giảm thiểu tổn thất ánh sáng đồng nghĩa với việc cần ít năng lượng hơn để vận hành laser so với các loại tia laser siêu nhỏ khác.
Giáo sư Wang Qijie từ khoa kỹ thuật điện và điện tử (EEE) và khoa học vật lý và toán học của đại học NTU Singapore (bên trái) và Tiến sĩ Cui Jieyuan từ khoa EEE
Tia laser phát ra ánh sáng trong vùng terahertz (30μm – 3mm), tức tần số dùng cho truyền thông 6G và có thể mở đường cho truyền thông tốc độ cao trong tương lai. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Photonics.
Tia laser siêu nhỏ có nhiều ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, đặc biệt là trong các thiết bị nhỏ. Chúng cũng rất cần thiết cho các công nghệ như điện toán quang học, trung tâm dữ liệu, truyền thông tốc độ cao, hình ảnh y tế và cảm biến tiên tiến. Tuy nhiên, hiệu suất của những tia laser siêu nhỏ này bị hạn chế bởi hiện tượng suy giảm ánh sáng.
Một phần sự suy giảm ánh sáng xảy ra do rò rỉ từ khoang laser – một thành phần chính của laser, có chức năng giới hạn và khuếch đại ánh sáng để tạo ra chùm tia laser. Ánh sáng cũng bị suy giảm do bức xạ và khi bị tán xạ bởi các khuyết tật trong tinh thể quang tử, được chế tạo từ vật liệu bán dẫn để kiểm soát sự lan truyền ánh sáng.
Những hiệu ứng gây suy giảm ánh sáng này rõ rệt hơn ở tia laser siêu nhỏ. Trong một số trường hợp, sự suy giảm ánh sáng gây ảnh hưởng đến mức ngăn cản các laser nhỏ phát ra đủ ánh sáng cho mục đích sử dụng.
Để ngăn ngừa sự suy giảm ánh sáng, tia laser của đại học NTU tận dụng dải phẳng và một hiện tượng được gọi là trạng thái liên tục đa liên kết (BIC – multi bound states in the continuum). Dải phẳng là các dải năng lượng trong tinh thể quang tử, nơi sóng ánh sáng gần như không di chuyển – thước đo tốc độ năng lượng ánh sáng. Ở vận tốc gần bằng không, năng lượng sóng ánh sáng mang theo không truyền ra khỏi khoang laser.
Tương tự, trạng thái multi BIC hạn chế ánh sáng trong khoang laser và ngăn không cho nó thoát ra theo nhiều hướng khác nhau, đồng thời cho phép laser phát ra đủ ánh sáng phù hợp với các ứng dụng thực tế. Giống như tai nghe chống ồn, các mẫu sóng cơ bản trong ánh sáng triệt tiêu các phần thường thoát ra ngoài. Thiết kế của khoang laser cũng khiến ánh sáng khó thoát ra ngoài.
Để giảm tổn thất ánh sáng do rò rỉ, tán xạ và bức xạ, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một khoang laser kết hợp các khái niệm từ dải phẳng và trạng thái đa BIC. Họ tạo ra một sự sắp xếp tuần hoàn các lỗ khí hình hoa cúc trong một tinh thể quang tử bao gồm một vật liệu bán dẫn kẹp giữa hai lớp vàng.
Bên trái: Chip với các khoang laser hình lục giác. Giữa: Các lỗ khí hình hoa cúc trong khoang laser. Bên phải: Cận cảnh các lỗ khí
Theo các nhà khoa học, đây có thể là giải pháp tối ưu nhằm ngăn chặn sự rò rỉ ánh sáng từ khoang laser trong không gian ba chiều. Tia laser này cũng tạo ra chùm tia hội tụ cao với độ phân kỳ tối thiểu, hữu ích cho các ứng dụng quang học chính xác.
Bằng cách thay đổi kích thước của các lỗ khí và hằng số mạng tinh thể – khoảng cách giữa các nguyên tử trong tinh thể quang tử – thiết kế có thể được mở rộng để tạo ra tia laser phát ra các bước sóng khác, chẳng hạn như ánh sáng cận hồng ngoại và ánh sáng khả kiến.
Giáo sư Wang Qijie, nhà nghiên cứu chính của dự án, cho biết các nhà khoa học đã dựa trên 15 năm kinh nghiệm trong kỹ thuật cấu trúc dải quang tử và nhận ra rằng việc kết hợp các khái niệm dải phẳng với trạng thái BIC có thể bẫy ánh sáng hiệu quả và giảm tổn thất ánh sáng.
Tiến sĩ Cui Jieyuan, nhà nghiên cứu tại khoa kỹ thuật điện và điện tử (EEE – electrical and electronic engineering) của đại học NTU, tác giả đầu tiên của bài viết, chia sẻ: “Laser của chúng tôi khắc phục được những nhược điểm của laser thu nhỏ trên thị trường, làm tiền đề cho các ứng dụng từ công nghệ đeo thế hệ tiếp theo đến máy tính quang học”.
Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tăng cường công suất của tia laser và tích hợp nó vào các thiết bị quang điện tử. Họ đã nộp hồ sơ công bố kỹ thuật cho sáng kiến này và đang tìm kiếm các đối tác trong ngành để đưa công nghệ này ra thị trường.
Để xem các tin bài khác về “Laser”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Electronics Online
