Metalenses lớn được sản xuất trên quy mô lớn – Physics World

Từ kính đeo mắt đến kính viễn vọng không gian, thấu kính đóng vai trò quan trọng trong các công nghệ từ tầm thường đến tiên tiến nhất. Mặc dù các thấu kính khúc xạ truyền thống là khối xây dựng cơ bản của quang học, nhưng chúng cồng kềnh và điều này có thể hạn chế cách sử dụng chúng. Metalenses mỏng hơn nhiều so với thấu kính thông thường và trong hai thập kỷ qua, rất nhiều ánh sáng đã chiếu vào tiềm năng của những thiết bị này, chúng lấp lánh như một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn.

Metalenses là những cấu trúc mỏng được tạo thành từ các mảng “siêu nguyên tử”, là những họa tiết có kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng. Chính những siêu nguyên tử này tương tác với ánh sáng và thay đổi hướng truyền của nó.

Không giống như thấu kính khúc xạ truyền thống, thấu kính kim loại có thể dày chưa đến một micron, giúp giảm khối lượng tổng thể của hệ thống quang học. Chúng cũng có thể mang lại hiệu suất lấy nét hạn chế nhiễu xạ lý tưởng, đồng thời tránh được một số vấn đề liên quan đến thấu kính khúc xạ chẳng hạn như quang sai.

Kết quả là, metalenses cho thấy nhiều hứa hẹn trong việc thu nhỏ các thiết bị quang học, có thể hữu ích trong một loạt ứng dụng từ máy ảnh điện thoại di động tốt hơn đến màn hình đeo được ít cồng kềnh hơn. Tuy nhiên, do bản chất của thiết kế phức tạp và yêu cầu về vật liệu của chúng, metalenses vẫn chưa được sản xuất hàng loạt với tính khả thi và chi phí hợp lý. Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (POSTECH) ở Hàn Quốc, đứng đầu là Junsuk Rho, đã phát triển một phương pháp mới để chế tạo đồng thời các tấm kim loại có kích thước hàng trăm cm. Trong một bài báo được xuất bản trong Vật liệu tự nhiên, họ mô tả cách họ sử dụng một số kỹ thuật in thạch bản khác nhau và vật liệu lai tạo để tạo ra lớp phủ kim loại để sử dụng trong màn hình và thiết bị thực tế ảo (VR). Cụ thể, họ chỉ ra cách in thạch bản in nano, hoặc dấu nano, có thể cung cấp một phương pháp sản xuất kim loại có khả năng mở rộng với chi phí thấp.

Khi thấu kính dày thông thường được sử dụng trong quang học, ánh sáng bị khúc xạ khi truyền giữa không khí và vật liệu thấu kính và ngược lại. Chính sự khúc xạ này làm thay đổi đường đi của ánh sáng và do đó hình dạng của thấu kính và chiết suất của nó là cơ sở để điều khiển ánh sáng.

Chỉ số khúc xạ và hình dạng vẫn còn quan trọng trong metalenses. Tuy nhiên, vì một metalenses phẳng về mặt vĩ mô, chính hình dạng và thành phần của siêu nguyên tử sẽ xác định các thuộc tính quang học của thiết bị.

Siêu nguyên tử lai của nhóm được làm bằng nhựa phủ titania được đúc trên bề mặt của chất nền thủy tinh có kích thước khác nhau như thể hiện trong hình “Đang trưng bày”. Siêu nguyên tử cao 900 nm, dài 380 nm và rộng 70 nm. Lớp phủ titania chỉ dày 23 nm. Loại mô hình nano có độ phân giải cao này thường đắt tiền và chỉ có thể được sử dụng để bao phủ các khu vực nhỏ cùng một lúc.

Công nghệ silicon đáp ứng quy trình dập nano

Giờ đây, Rho và các đồng nghiệp đã đơn giản hóa việc sản xuất kim loại bằng cách tích hợp ba công nghệ chế tạo đã hoàn thiện. Đó là quang khắc, in khắc nano và lắng đọng lớp nguyên tử. Quang khắc liên quan đến việc sử dụng tia laser cực tím sâu để tạo ra các mẫu trên tấm silicon. Đây là một kỹ thuật tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp điện tử và nó cũng có thể được sử dụng để tạo ra các kim loại quy mô nhỏ. Tuy nhiên, đây là một quá trình tốn kém không khả thi đối với việc sản xuất kim loại quy mô lớn.

Thay vì sử dụng phương pháp quang khắc cực tím sâu để tạo ra các lớp kim loại, nhóm đã sử dụng phương pháp này để tạo mẫu cho một con tem chính có chiều ngang 12 inch (30 cm) và có độ phân giải đặc trưng là 40 nm (xem hình “Quy trình sản xuất”). Con tem được sử dụng để in dấu đảo ngược của cấu trúc siêu nguyên tử trong một khuôn sao chép làm bằng silicone mềm. Nhựa lỏng sau đó được đổ vào khuôn silicon, nơi nhựa chảy vào các rãnh nano trước khi đông cứng. Điều này cho phép nhóm tạo ra hàng trăm kim loại (hình trụ 1 cm trong hình 2) cùng một lúc. Thật vậy, các cấu trúc bề mặt phức tạp thể hiện trong hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (xem hình “Quy trình sản xuất”) có thể được tạo ra trong vòng chưa đầy 15 phút.

Chỉ số khúc xạ của nhựa quá thấp để cung cấp khả năng kiểm soát ánh sáng như mong muốn, do đó, một lớp titania mỏng đã được phủ lên trên nhựa để tăng chỉ số khúc xạ cũng như tăng độ bền cơ học của cấu trúc.

Hãy để có ánh sáng VR

Để chứng minh tiềm năng của đồng hồ kim loại, nhóm đã tích hợp chúng trong một màn hình VR nguyên mẫu. Các thiết bị VR thương mại sử dụng phản xạ hoặc nhiễu xạ để chiếu hình ảnh ảo đến mắt người dùng – và điều này dẫn đến các thiết bị cồng kềnh phải có độ dài tiêu cự thích hợp cho quang học. Màn hình VR dựa trên metalens của họ giảm khoảng cách mà ánh sáng phải truyền đi bằng cách sử dụng thiết kế dựa trên đường truyền. Điều này làm cho màn hình nhẹ và thoải mái khi đeo. Mặc dù nhóm chỉ kiểm tra màn hình của họ với hình ảnh tĩnh, nhưng thiết bị đã cho thấy sự hứa hẹn bằng cách tạo ra hình ảnh sử dụng ánh sáng đỏ, lục và lam; các khối xây dựng của màn hình đủ màu (xem hình “Màn hình nguyên mẫu”).

Nhóm nghiên cứu cho biết phương pháp chế tạo có thể mở rộng của họ tạo ra các kim loại có hiệu suất cao hơn so với các thiết bị được chế tạo bằng các phương pháp truyền thống hơn. Mặc dù vẫn còn rất nhiều cơ hội để phát triển, nhưng sự ra đời của các lớp phủ kim loại được sản xuất hàng loạt sẽ mở ra cơ hội sử dụng chúng trong cảm biến sinh học, in màu và ảnh ba chiều – cũng như màn hình VR.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoAiStream. Thông minh dữ liệu Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Đúc kết tương lai với Adryenn Ashley. Truy cập Tại đây.
• Mua và bán cổ phần trong các công ty PRE-IPO với PREIPO®. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/large-metalenses-are-produced-on-a-mass-scale/