Giới thiệu
Việc điều khiển và vận chuyển năng lượng, như ánh sáng hay sóng điện từ, rất quan trọng cho nhiều công nghệ hiện đại, từ internet qua cáp quang đến các chip xử lý ánh sáng trong máy tính.
Thông thường, để làm được điều này, chúng ta phải dùng các thủ thuật như phản xạ ánh sáng toàn phần để “bắt giữ” ánh sáng và giữ cho nó đi đúng hướng, giống như trong cáp quang. Tuy nhiên, nếu ánh sáng đi vào các vật liệu mờ đục, như thủy tinh không trong suốt hoặc mô cơ thể, nó dễ dàng bị phân tán và không thể đi xa được. Điều này làm cho ánh sáng mất đi năng lượng và khả năng chiếu sáng.
Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đến từ Trường Vật lý & Thiên văn học, Đại học Glasgow, Anh và Đại học Khoa học Quang học Wyant, Đại học Arizona, Tucson, Hoa Kỳ đưa ra một cách mới, sử dụng đặc tính của sự khuếch tán (sự lan tỏa tự nhiên) để giúp ánh sáng tự “bám” vào một hướng nhất định mà không cần đến lớp vỏ gương như trong cáp quang.
Dẫn hướng bằng sự khuếch tán
Bằng cách chiếu ánh sáng qua một lõi các ống dẫn làm từ nhựa in 3D, đặt bên trong một vật liệu mờ (vật liệu không trong suốt). Họ phát hiện ra rằng ánh sáng có thể được dẫn đi theo lõi này mà không bị tán xạ ra xung quanh, ngay cả khi lõi có hình cong. Khi ánh sáng đi qua lõi khuếch tán, một phần ánh sáng bị hấp thụ nhưng phần lớn ánh sáng được duy trì và “dẫn hướng” theo lõi. Cấu trúc lõi giữ cho ánh sáng không tản mát và tập trung trong một không gian hẹp. Điều này giúp ánh sáng đi xa hơn ngay cả trong vật liệu mờ đục, như cách sợi quang học hoạt động, nhưng không cần thiết kế phức tạp như cáp quang.
So sánh kết quả khi truyền ánh sáng laser trong 1 ống vật liệu mờ đục với:
a. Không có lõi trong suốt
b. Có lõi trong suốt thẳng
c. Có lõi trong suốt với độ cong khác nhau.
Chuyện gì đã xảy ra
Lõi có độ trong suốt cao hơn môi trường đục bên ngoài do cấu trúc phân tử của lõi đồng nhất. Cấu trúc đồng nhất này giúp ánh sáng duy trì được hướng đi và ít bị phân tán hơn so với khi ánh sáng đi vào các vùng đục.
Tán xạ ngược vào lõi:
Một phần ánh sáng bị tán xạ ra ngoài khi gặp bề mặt tiếp giáp giữa lõi và môi trường xung quanh. Tuy nhiên, vì môi trường bên ngoài đục hơn và có các hạt tán xạ, một số ánh sáng bị tán xạ trở lại lõi.
Ánh sáng tán xạ trở lại sẽ tiếp tục lan truyền dọc theo lõi, tạo nên hiệu ứng khuếch tán ngược vào lõi. Điều này giúp bảo toàn một phần năng lượng ánh sáng và giúp ánh sáng tiếp tục di chuyển trong lõi.
Quá trình ánh sáng tán xạ ra ngoài rồi bị phản xạ hoặc khuếch tán trở lại vào lõi diễn ra liên tục khi ánh sáng truyền dọc theo lõi. Nhờ vậy, ánh sáng duy trì trong lõi một thời gian dài, dù một phần năng lượng bị mất dần qua mỗi lần tán xạ ra ngoài. Càng đi xa, lượng ánh sáng bị tán xạ và thất thoát ra ngoài sẽ càng nhiều, làm cường độ ánh sáng bên trong lõi giảm dần.
Mô phỏng Monte Carlo được thực hiện bằng Ansys Zemax Optic Studio.
Với 10 tia sáng (10 rays) và 50 tia sáng (50 rays)
a,b: không có lõi – ánh sáng nhanh chóng bị tán xạ và triệt tiêu
c, d: có lõi trong suốt – ánh sáng truyền qua lõi, tán xạ tăng dần về cuối.
Tiềm năng ứng dụng
Trong cơ thể người, ánh sáng có thể tự nhiên lan truyền qua dịch não tủy hoặc các mô như gân. Các nhà khoa học hy vọng ứng dụng này sẽ mở ra cách tiếp cận mới trong y học, giúp ánh sáng truyền sâu vào cơ thể mà không cần xâm lấn.
Nhờ vào nghiên cứu này, chúng ta có thể tạo ra những thiết bị nhỏ gọn và dễ sử dụng hơn. Viễn thông, y học, và cả lĩnh vực vật lý hạt có thể hưởng lợi từ khả năng dẫn ánh sáng qua các môi trường khó khăn với phương pháp đơn giản. Ví dụ, trong các môi trường nhiều sương mù, công nghệ này có thể giúp truyền tín hiệu một cách hiệu quả mà không bị cản trở.
Báo cáo nghiên cứu gốc:
Mitchell, K.J., Gradauskas, V., Radford, J. et al. Energy transport in diffusive waveguides. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02665-z