KHU HÀNH CHÍNH HỒNG KÔNG – Media OutReach – Ngày 21 tháng 8 năm 2023 – Một nhóm hợp tác gồm các nhà nghiên cứu do Quyền Giáo sư Vật lý Shuang ZHANG của Đại học Hồng Kông (HKU) First, cùng với Trung tâm Khoa học và Công nghệ Nano Quốc gia, Đại học Hoàng gia Luân Đôn dẫn đầu (Anh) ) và Đại học California, Berkeley (Mỹ), đã đề xuất phương pháp tiếp cận sóng tần số phức tạp (CFW – wave) để giải quyết vấn đề suy hao quang học trong biểu diễn siêu hình ảnh. Kết quả nghiên cứu gần đây đã được công bố trên tạp chí khoa học uy tín Science.
Hình ảnh đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm sinh học, y học và khoa học vật liệu. Kính hiển vi ánh sáng sử dụng ánh sáng để chụp ảnh các vật thể cực nhỏ. Tuy nhiên, kính hiển vi thông thường chỉ có thể phân giải các kích thước đặc trưng theo thứ tự bước sóng quang học tốt nhất, được gọi là giới hạn nhiễu xạ.
Để khắc phục hạn chế nhiễu xạ, Ngài John Pendry thuộc Đại học Hoàng gia Luân Đôn đã đưa ra khái niệm siêu thấu kính, có thể chế tạo từ môi trường chiết suất âm hoặc kim loại quý như bạc. Sau đó, Giáo sư Xiang ZHANG, Chủ tịch kiêm Phó hiệu trưởng hiện tại của HKU, cùng với nhóm đồng nghiệp của ông từ Đại học California, Berkeley, đã chứng minh bằng thực nghiệm siêu hình ảnh bằng cách sử dụng toàn bộ ngăn xếp đa lớp màng mỏng bạc và bạc/điện môi. Những công trình này đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển và ứng dụng của công nghệ siêu thấu kính.
Thật không may, tất cả các siêu thấu kính đều chịu tổn thất quang học không thể tránh khỏi, chúng chuyển năng lượng quang học thành nhiệt. Điều này ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của các thiết bị quang học, chẳng hạn như thấu kính chồng lên nhau, dựa vào việc cung cấp thông tin chính xác do sóng ánh sáng mang theo.
Mất quang là yếu tố chính hạn chế sự phát triển của quang tử nano trong ba thập kỷ qua. Nhiều ứng dụng, bao gồm mạch cảm biến, siêu hình ảnh và quang tử nano, sẽ được hưởng lợi rất nhiều nếu vấn đề này có thể được giải quyết.
Giáo sư Shuang Zhang, một tác giả tương ứng của bài báo và cũng là quyền trưởng khoa Vật lý của HKU, giải thích phương pháp nghiên cứu như sau: “Để giải quyết vấn đề suy hao quang học trong một số ứng dụng quan trọng, chúng tôi đã đề xuất một giải pháp thực tế: sử dụng kích thích dạng sóng hỗn hợp mới để thu được mức tăng ảo và sau đó bù cho tổn thất nội tại của hệ thống quang học. Để xác minh, chúng tôi đã áp dụng phương pháp này cho cơ chế chụp ảnh siêu thấu kính và về mặt lý thuyết đã cải thiện đáng kể độ phân giải hình ảnh.”
Tiến sĩ Fuxin GUAN, tác giả đầu tiên của bài báo và là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại HKU, cho biết thêm: “Chúng tôi đã kiểm tra thêm lý thuyết của mình bằng cách tiến hành các thí nghiệm với siêu thấu kính, làm bằng siêu vật liệu hyperbol trong dải tần số vi sóng và siêu vật liệu phân cực trong dải tần số vi sóng. Tính thường xuyên. Đúng như dự đoán, chúng tôi đã thu được kết quả hình ảnh tuyệt vời phù hợp với dự đoán lý thuyết của chúng tôi.”
Tiến gần hơn đa tần số để khắc phục suy hao quang học
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã giới thiệu một phương pháp đa tần số mới để khắc phục những tác động tiêu cực của việc mất mát trong siêu hình ảnh. Các dạng sóng tần số phức tạp có thể được sử dụng để cung cấp độ lợi ảo để bù cho tổn thất trong hệ thống quang học. Tần số kép có nghĩa là gì? Tần số của sóng đề cập đến tốc độ mà nó dao động theo thời gian. Việc lấy tần số làm số thực là điều đương nhiên. Thật thú vị, khái niệm tần số có thể được mở rộng sang lĩnh vực phức tạp, trong đó phần ảo của tần số cũng có ý nghĩa vật lý được xác định rõ, nghĩa là tốc độ mà một sóng được khuếch đại hoặc suy giảm theo thời gian. Do đó, đối với các sóng có tần số phức tạp thì xảy ra đồng thời cả dao động và khuếch đại sóng. Đối với các tần số kết hợp có phần ảo âm (dương), sóng sẽ suy giảm (khuếch đại) theo thời gian.
Tất nhiên, một sóng phức lý tưởng không phải là sóng vật lý, vì nó sẽ phân kỳ khi thời gian tiến đến vô cực dương hoặc âm, tùy thuộc vào dấu của phần ảo của nó. Do đó, bất kỳ việc triển khai thực tế nào các sóng tần số phức tạp đều phải được cắt bớt kịp thời để tránh sự phân kỳ. Phép đo quang trực tiếp dựa trên sóng tần số hỗn hợp phải được thực hiện trong miền thời gian và sẽ bao gồm các phép đo phức tạp có giới hạn thời gian và do đó cho đến nay vẫn chưa được thực hiện thử nghiệm.
Nhóm các nhà khoa học đã sử dụng công cụ toán học Biến đổi Fourier để phân tách sóng tần số bị cắt ngắn (CFW) phức tạp thành nhiều thành phần có tần số thực tế khác nhau, tạo điều kiện thuận lợi đáng kể cho việc phát triển các câu lệnh CFW cho các ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như trình siêu giám sát. Bằng cách thực hiện các phép đo quang học ở nhiều tần số thực trong một khoảng thời gian cố định, có thể xây dựng đáp ứng quang học của hệ thống ở các tần số phức tạp bằng cách kết hợp toán học các tần số thực.
Để chứng minh khái niệm, nhóm các nhà khoa học đã bắt đầu với siêu vật liệu tần số vi sóng sử dụng siêu vật liệu hyperbol. Siêu vật liệu hyperbol có thể mang sóng với vectơ sóng rất lớn (hoặc tương đương với bước sóng rất nhỏ), có khả năng truyền thông tin có kích thước đặc trưng rất nhỏ. Tuy nhiên, vectơ sóng càng lớn thì sóng càng nhạy cảm với suy hao quang học. Do đó, khi có sự mất mát, thông tin về các kích thước tính năng nhỏ đó sẽ bị mất trong quá trình lan truyền trong siêu vật liệu hyperbol. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng bằng cách kết hợp chính xác các hình ảnh mờ được đo ở các tần số thực khác nhau, một hình ảnh rõ ràng sẽ được hình thành ở các tần số phức tạp với độ phân giải sóng sâu tăng dần.
Nhóm nghiên cứu đã mở rộng thêm nguyên lý này sang các tần số quang học, sử dụng siêu thấu kính quang học làm từ tinh thể âm vị gọi là cacbua silic, hoạt động ở bước sóng hồng ngoại xa khoảng 10 micromet. Trong một tinh thể âm vị, các rung động của mạng có thể kết hợp với ánh sáng để tạo ra hiệu ứng siêu hình. Tuy nhiên, sự mất mát vẫn là một yếu tố hạn chế trong độ phân giải không gian. Mặc dù độ phân giải không gian của hình ảnh ở tất cả các tần số thực bị hạn chế do mất mát, như được thể hiện qua việc làm mờ các lỗ có kích thước nanomet, nhưng có thể thu được hình ảnh có độ phân giải cực cao bằng cách sử dụng CFW tổng hợp bao gồm nhiều thành phần tần số. .
Giáo sư Xiang ZHANG, một tác giả liên hệ khác của bài báo, Chủ tịch kiêm Phó hiệu trưởng HKU, đồng thời là Chủ tịch Khoa Vật lý và Khoa học HKU, nhận xét: “Công trình đã cung cấp giải pháp khắc phục hiện tượng mất quang học trong các hệ thống quang học, một vấn đề tồn tại từ lâu. Vấn đề thường trực trong nanophotonics. Phương pháp tần số hỗn hợp có thể dễ dàng mở rộng sang các ứng dụng khác, bao gồm IC cảm biến nanophoton và phân tử. Kỹ thuật. Phương pháp này có thể được sử dụng để giải quyết tình trạng mất mát trong các hệ thống sóng khác, bao gồm sóng âm, sóng đàn hồi và sóng lượng tử, đưa chất lượng hình ảnh lên một tầm cao mới.”
Công trình này được hỗ trợ bởi Quỹ khoa học nền tảng mới, Hội đồng tài trợ nghiên cứu Hồng Kông.
Bài báo đã được xuất bản trong Khoa học. có tiêu đề: ‘Khắc phục tổn thất trong siêu thấu kính bằng sóng tổng hợp có tần số phức’.
Tạp chí có thể được truy cập ở đây. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi1267
Thông tin thêm về Giáo sư Shuang Zhang: https://shorturl.at/efCN1
Thẻ bắt đầu bằng #: #HKU
Nhà xuất bản hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung của thông báo này..
Thẻ bắt đầu bằng #: #HKU
Nhà phát hành hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung của quảng cáo này.