Ánh sáng là thứ mà chúng ta hiếm khi để ý đến. Ánh sáng đi vào nhà qua cửa sổ, chiếu sáng đường phố vào ban đêm và giúp chúng ta ghi lại mọi thứ, từ cảnh hoàng hôn tuyệt đẹp đến những chi tiết nhỏ nhất dưới kính hiển vi. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu ánh sáng đi vào mắt chúng ta không đơn giản như vẻ ngoài của nó? Nếu đó là sự kết hợp của nhiều nguồn sáng khác nhau, phát ra các sóng ánh sáng chồng lấn, giao thoa với nhau và đến mắt chúng ta vào những thời điểm hơi khác nhau thì sao?
Hầu hết camera ghi nhận hỗn hợp ánh sáng này dưới dạng một hình ảnh duy nhất. Tuy nhiên, trong quá trình đó, một phần thông tin về đặc tính vật lý của ánh sáng, chẳng hạn mối tương quan giữa các thành phần sóng, không được thể hiện trực tiếp trong hình ảnh cuối cùng.
Mới đây, các kỹ sư tại Đại học Stanford (Mỹ) cùng các cộng sự đã thiết kế một con chip có khả năng tiếp nhận hỗn hợp ánh sáng phức tạp từ nhiều tia laser, sau đó tách chúng thành những chùm ánh sáng "sạch" và riêng biệt, giữ lại các đặc tính kết hợp của từng thành phần để tiếp tục xử lý.
Đây là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu chứng minh bằng thực nghiệm khả năng tự động phân tách ánh sáng kết hợp một phần (partially coherent light) thành những thành phần không tương quan với nhau ngay trên một chip quang tử tích hợp. Phát hiện này mới đây đã được công bố trên tạp chí Nature Photonics, qua đó củng cố các lý thuyết vật lý đã được đưa ra từ lâu, đồng thời mở ra một phương pháp quan sát thế giới xung quanh hoàn toàn mới, với tiềm năng ứng dụng trong kính hiển vi, thiên văn học và nhiều lĩnh vực khác.
Con chip có khả năng phân tách hỗn hợp ánh sáng. Ảnh: Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA)
"Lần đầu tiên, chúng tôi đã chứng minh được bằng thực nghiệm những ý tưởng vật lý vốn đã được đề xuất từ những năm 1980", nghiên cứu sinh tiến sĩ ngành kỹ thuật điện Annie Kroo, đồng tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. "Công trình này có ý nghĩa rất lớn đối với nhiều ứng dụng khác nhau vì nó cho phép chúng ta tiếp cận các vấn đề theo một cách hoàn toàn mới".
Các photon nhảy múa
Nghiên cứu sinh Annie Kroo giải thích, bóng đèn là nguồn sáng không kết hợp (incoherent light), trong khi laser là nguồn sáng kết hợp (coherent light).
Khi chiếu một tia laser qua một tấm lưới, ánh sáng trên bề mặt phía đối diện sẽ tạo thành những đốm sáng tối xen kẽ. Trong khi đó, nếu chiếu bóng đèn qua cùng tấm lưới, hình ảnh thu được sẽ là một mạng lưới ánh sáng mềm và khuếch tán hơn.
Theo Kroo, các photon trong tia laser dao động đồng bộ với nhau. Điều này tạo ra những hình dạng sắc nét hơn trên bề mặt phía đối diện, bởi tại một số vị trí, các sóng ánh sáng tăng cường lẫn nhau, trong khi ở những vị trí khác, chúng triệt tiêu lẫn nhau. Ngược lại, các photon trong ánh sáng bóng đèn dao động không đồng bộ, tạo ra hình ảnh mờ và nhòe hơn.
Phần lớn ánh sáng trong tự nhiên nằm giữa hai trạng thái này, được gọi là ánh sáng kết hợp một phần (partially coherent light). Đó là lý do các nhà nghiên cứu muốn phân tách những nhịp dao động khác nhau tồn tại trong ánh sáng giống như bóng đèn với kỳ vọng mở ra những phương thức mới trong truyền thông, điện toán và cảm biến.
"Chúng tôi nhận thấy có một cơ hội mới trong quang học: khai thác bản chất thực sự của ánh sáng, vốn có tính kết hợp một phần, để phục vụ nhiều ứng dụng khác nhau", trợ lý giáo sư Charles Roques-Carmes tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA), đồng thời là cựu nghiên cứu viên Stanford Science Fellow, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết. "Để làm được điều này, cần phân tách ánh sáng thành những nhóm chùm sáng không kết hợp với nhau, hay nói cách khác là không có tương quan về mặt thống kê".
Để kiểm chứng khả năng này, nhóm nghiên cứu sử dụng một chip quang tử (photonic chip) có kích thước bằng móng tay. Chip quang tử dẫn truyền các photon để xử lý dữ liệu, tương tự cách các vi mạch trong máy tính xách tay và điện thoại di động sử dụng electron.
Mặc dù những con chip dựa trên ánh sáng này ngày càng nhỏ gọn và mạnh hơn trong những năm gần đây, việc kiểm soát các hạt ánh sáng bên trong vẫn là một thách thức không nhỏ. "Chúng ta có thể tạo ra các hệ thống quang học tốt hơn bằng cách tích hợp chúng lên chip, tương tự cách tích hợp các linh kiện điện tử lên chip để cải thiện hiệu suất", GS Olav Solgaard tại Đại học Stanford, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết.
Trộn và phân tách ánh sáng
Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu chiếu hai tia laser hồng ngoại vào chip, để trộn lẫn ánh sáng từ hai nguồn. Trường ánh sáng tổng hợp thu được có tính kết hợp một phần: các thành phần ánh sáng có những mối tương quan nhất định, nhưng không hoàn toàn đồng bộ với nhau.
Bên trong chip, một mạng lưới giao thoa quang học có khả năng tự cấu hình, kết hợp với thuật toán tối ưu hóa, phân tích các đặc tính tương quan của trường ánh sáng. Từ đó, hệ thống xác định những chế độ kết hợp cơ bản (coherence modes) và điều hướng chúng đến các đầu ra riêng biệt.
Sau đó, chip tạo ra những chùm ánh sáng đã được tách riêng. Nhóm nghiên cứu tiếp tục đưa các chùm sáng này qua một thiết bị có khả năng trộn chúng lại với nhau, nhằm kiểm tra xem cường độ ánh sáng có tăng lên do sự giao thoa hay không. Tuy nhiên, hai chùm sáng không đồng bộ với nhau. Điều này chứng minh chúng là những chùm sáng độc lập, hoàn toàn không kết hợp với nhau.
Phấn khởi với kết quả này, nhóm nghiên cứu tiếp tục bổ sung thêm một tia laser thứ ba vào đầu vào. Các thí nghiệm tiếp theo cho thấy hệ thống cũng có thể xử lý những trường ánh sáng phức tạp hơn, với ba chế độ kết hợp.
Đồng tác giả chính Paul-Alexis Mor và trợ lý giáo sư Charles Roques-Carmes thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA) đã tham gia thiết kế con chip có khả năng tiếp nhận ánh sáng hỗn hợp (hay ánh sáng kết hợp một phần) và phân tách các photon trong đó thành những chùm sáng riêng biệt, rõ ràng. Ảnh: Viện Khoa học và Công nghệ Áo
"Nếu quan sát các tín hiệu đầu ra, chúng hoàn toàn không đồng bộ với nhau; giữa chúng không còn bất kỳ mối tương quan nào cả", Paul-Alexis Mor, đồng tác giả chính của nghiên cứu, hiện là nghiên cứu viên khách mời tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo, cho biết.
Theo Giáo sư danh dự David Miller tại Đại học Stanford, đồng tác giả nghiên cứu, các thuật toán bên trong chip có khả năng xác định những đặc trưng riêng của ánh sáng kết hợp một phần, từ đó phân tách các thành phần ánh sáng kết hợp.
"Con chip của chúng tôi có thể tự học các chế độ kết hợp cơ bản (coherence modes) của một trường ánh sáng chưa biết trước, sau đó điều khiển chúng thành những đầu ra riêng biệt bằng phương pháp vật lý", GS Shanhui Fan, tại Đại học Stanford, đồng tác giả nghiên cứu, giải thích thêm. "Nhờ đó, chúng tôi có thể phân tích tính kết hợp không gian của ánh sáng, đồng thời giữ lại các chùm sáng đã tách để tiếp tục xử lý".
Quan sát những gì camera bỏ sót
Việc phân tách ánh sáng hỗn hợp thành các thành phần riêng biệt có thể giúp các nhà nghiên cứu khai thác nhiều thông tin từ ánh sáng hơn so với những công nghệ camera tiên tiến nhất hiện nay. Bởi khi camera ghi nhận cường độ ánh sáng trên một cảm biến hai chiều, các thông tin về pha và mối tương quan giữa những thành phần ánh sáng thường không được thể hiện trực tiếp trong hình ảnh thu được.
"Camera khiến chúng ta mất đi thông tin về chiều sâu", Miller giải thích. Nhưng "với phương pháp tách ánh sáng này, chúng ta có thể khai thác toàn bộ thông tin mà ánh sáng chứa đựng, bao gồm cả những thông tin về chiều sâu (nếu có)".
Chẳng hạn, dưới kính hiển vi, nếu hai hạt huỳnh quang chồng lấn lên nhau, các phương pháp chụp ảnh truyền thống có thể ghi nhận chúng như một hạt duy nhất. Tuy nhiên, phương pháp dựa trên chip quang tử mới của nhóm nghiên cứu lại có thể phân biệt ánh sáng phát ra từ từng nguồn riêng.
"Mặc dù hai hạt chồng lấn về mặt không gian, thông tin chứa trong ánh sáng vẫn cho biết chúng đến từ những nguồn khác nhau", Kroo giải thích.
Hiện Miller, Solgaard và Kroo đang hợp tác với NASA để tìm hiểu liệu công nghệ mới có thể được sử dụng để thăm dò ánh sáng từ những thiên hà xa xôi hay không. Chẳng hạn, một đốm sáng đơn lẻ quan sát được qua kính thiên văn thực chất có thể chứa nhiều thành phần ánh sáng riêng biệt, phát ra từ những ngôi sao và ngoại hành tinh khác nhau.
"Rất nhiều thông tin về thế giới xung quanh chúng ta tồn tại dưới dạng ánh sáng", Kroo nói. "Có thể nói, ánh sáng là một phương tiện tuyệt vời để đo lường các đặc tính của môi trường".
Kim Dung tổng hợp
Nguồn tham khảo:
Fingernail-sized chip untangles mixed light. Standford Report. https://news.stanford.edu/stories/2026/11/chip-mixed-light-beams-microscopy
Automatic on-chip separation of partially coherent light into its mutually incoherent components. Nature Photonics. https://www.nature.com/articles/s41566-026-02035-6
Stanford scientists have built a fingernail-sized chip. The Times of India. https://timesofindia.indiatimes.com/science/discovery/stanford-scientists-create-revolutionary-fingernail-sized-chip-to-separate-mixed-light-boosting-microscopy-astronomy-and-photography/articleshow/135641393.cms