Metalens, cấu trúc nhân tạo nano có khả năng điều khiển ánh sáng, cho phép giảm đáng kể kích thước và độ dày của các thành phần quang học truyền thống. Đặc biệt hiệu quả ở vùng cận hồng ngoại, công nghệ này hứa hẹn sẽ có nhiều ứng dụng khác nhau như LiDAR (còn được gọi là “đôi mắt của xe tự lái”), máy bay không người lái thu nhỏ và máy dò mạch máu. Bất chấp tiềm năng của nó, công nghệ hiện tại đòi hỏi chi phí rất cao ngay cả khi chế tạo Metalens có kích thước bằng móng tay, từ đó đặt ra thách thức cho việc thương mại hóa. May thay, một bước đột phá gần đây hứa hẹn sẽ giảm chi phí sản xuất xuống chỉ còn 1/1000.

          Một nhóm nghiên cứu hợp tác từ Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (POSTECH) và Đại học Hàn Quốc đã đề xuất hai phương pháp cải tiến để sản xuất hàng loạt Metalens và chế tạo chúng trên các bề mặt lớn. Nghiên cứu của họ được công bố trên Tạp chí Laser & Photonics Reviews, một tạp chí quốc tế về quang học và vật lý ứng dụng.

          Quang khắc được coi là một bước trong quá trình chế tạo chúng, đó là quy trình được sử dụng để chế tạo Metalens bằng cách sử dụng ánh sáng để in các mẫu lên tấm silicon. Thông thường, độ phân giải của ánh sáng tỷ lệ nghịch với bước sóng của nó, nghĩa là bước sóng ngắn hơn mang lại độ phân giải cao hơn, cho phép tạo ra các cấu trúc mịn hơn và chi tiết hơn. Trong nghiên cứu của mình, nhóm nghiên cứu đã chọn phương pháp quang khắc tia cực tím sâu, một quá trình sử dụng bước sóng ngắn hơn của tia cực tím.

          Nhóm nghiên cứu gần đây đã đạt được việc sản xuất hàng loạt các thấu kính Metalens cho vùng ánh sáng khả kiến ​​bằng phương pháp quang khắc cực tím sâu, như được công bố trên tạp chí quốc tế Nature Materials. Tuy nhiên, thách thức nổi lên khi phương pháp hiện tại cho thấy hiệu quả thấp ở vùng hồng ngoại. Để giải quyết hạn chế này, nhóm đã phát triển một loại vật liệu có chiết suất cao và suy hao vùng hồng ngoại thấp. Vật liệu này được tích hợp vào quy trình sản xuất hàng loạt đã được thiết lập, cho phép tạo ra Metalens hồng ngoại khá lớn với đường kính 1 cm trên tấm bán dẫn 8 inch. Đáng chú ý, ống kính này có khẩu độ số (NA) vượt trội là 0,53, tức là có khả năng thu ánh sáng rất tốt cùng với độ phân giải cao gần đạt đến giới hạn nhiễu xạ. Cấu trúc hình trụ còn làm cho nó không bị phân cực, đảm bảo hiệu suất tốt bất kể hướng dao động của ánh sáng.

          Trong phương pháp thứ hai, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật in nano, một quy trình cho phép in các cấu trúc nano bằng khuôn. Theo đó, nhóm nghiên cứu đã chế tạo được hàng loạt Metalens có đường kính 5 mm, bao gồm khoảng một trăm triệu cấu trúc nano hình chữ nhật trên một tấm bán dẫn 4 inch. Đáng chú ý, ống kính Metalens này thể hiện hiệu suất ấn tượng với khẩu độ 0,53. Cấu trúc hình chữ nhật của nó thể hiện các đặc tính phụ thuộc vào độ phân cực, phản ứng hiệu quả với hướng dao động của ánh sáng.

          Dựa trên kết quả này, nhóm nghiên cứu đã tích hợp một hệ thống hình ảnh có độ phân giải cao để quan sát các mẫu thực như lớp biểu bì của hành tây, xác nhận khả năng thương mại hóa các loại Metalens. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng vì nó khắc phục được những hạn chế của quy trình sản xuất từng loại Metalens truyền thống. Nó không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho việc tạo ra các thiết bị quang học có cả đặc tính phụ thuộc vào phân cực và đặc tính không phụ thuộc vào phân cực được điều chỉnh cho phù hợp với các ứng dụng cụ thể mà còn giảm chi phí sản xuất Metalens tới 1000 lần. Chi tiết tham khảo tại:

1. Seong‐Won Moon, Joohoon Kim, Chanwoong Park, Wonjoong Kim, Younghwan Yang, Jaekyung Kim, Seokho Lee, Minseok Choi, Hansang Sung, Jaein Park, Hyoin Song, Heon Lee, Junsuk Rho. Wafer‐Scale Manufacturing of Near‐Infrared Metalenses. Laser & Photonics Reviews, 2024; DOI: 10.1002/lpor.202300929

2. Pohang University of Science & Technology (POSTECH). "Can metalens be commercialized at a fraction of the cost?." ScienceDaily. ScienceDaily, 28 March 2024. <www.sciencedaily.com/releases/2024/03/240328111031.htm>.