Odkryto idealny sposób na łapanie światła

Chcąc efektywnie wykorzystać światło, czy to w fotosyntezie, czy w systemie fotowoltaicznym, musi ono zostać w pełni pochłonięte. Jest to trudniejsze, jeśli absorpcja zachodzi w cienkiej warstwie materiału, która normalnie pozwala na przepływ przez nią dużej części światła.

Teraz naukowcy z TU Wien i Hebrajski Uniwersytet w Jerozolimie (HU) odkrył nieoczekiwaną metodę, która pozwala na całkowite pochłonięcie wiązki laserowej nawet w najlżejszych warstwach:

Za pomocą luster i soczewek stworzyli „pułapkę świetlną” otaczającą film, w której wiązka światła skierowana jest po okręgu, a następnie nakłada się na siebie – właśnie w taki sposób, że wiązka światła zatrzymuje się na sobie i nie jest w stanie uciec system. W rezultacie światło nie ma innego wyjścia, jak zostać pochłonięte przez cieńszą warstwę.

Ta metoda absorpcji i wzmocnienia, która została opublikowana w czasopiśmie naukowym Naukijest wynikiem owocnego partnerstwa między dwoma zespołami: strategii zalecanej przez profesora Uri Katza z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie i opracowanej z profesorem Stefanem Reuterem z TU Wien.

Zespół laboratoryjny przeprowadził eksperyment w Jerozolimie, a teoretyczne wyniki pochodziły od zespołu wiedeńskiego.

Światło jest łatwo pochłaniane, gdy uderza w twardy przedmiot. Strumień grubej czarnej wełny z łatwością pochłania światło. Ale w wielu zastosowaniach technicznych masz tylko cienką warstwę materiału i chcesz pochłaniać światło dokładnie w tej warstwie.

Stefan Reuter, profesor, Instytut Fizyki Teoretycznej, Uniwersytet Wiedeński

Podjęto już wysiłki, aby poprawić wchłanianie materiału, na przykład umieszczając materiał między dwoma lustrami. Światło odbija się tam i z powrotem między dwoma lustrami, za każdym razem przechodząc przez materiał, zwiększając w ten sposób potencjał absorpcji.

Jednak w przypadku tej funkcji jedno z luster musi być nieco przezroczyste – w przeciwnym razie światło nie może w ogóle dostać się do obszaru między dwoma lustrami. Jednak, gdy światło pada na to częściowo przezroczyste lustro, część światła jest rozpraszana.

Aby temu zapobiec, można w kompleksowy sposób wykorzystać charakterystykę fali świetlnej.

„W naszym podejściu możemy anulować wszystkie odbicia tła przez interferencję fal”, zauważył Uniwersytet Heliopolis, profesor Uri Katz.

Helmut Horner z Uniwersytetu Wiedeńskiego, który poświęcił swoją pracę magisterską temu tematowi, wyjaśnił:Również w naszej metodzie światło najpierw pada na częściowo przezroczyste lustro. Jeśli po prostu wyślesz wiązkę laserową do tego lustra, zostanie ona podzielona na dwie części: większa część jest odbijana, a mniejsza część przenika przez lustro. „

Po przejściu przez warstwę chłonną część promienia światła, która przeniknęła do lustra, jest przekazywana z powrotem do częściowo przezroczystego lustra za pomocą soczewek i innego lustra.

„Ważne jest, aby długość tej drogi i położenie elementów optycznych były tak dobrane, aby powracający promień światła (i jego wielokrotne odbicia między lustrami) całkowicie zniwelował promień światła odbity bezpośrednio przy pierwszym lustropowiedzieli Jewgienij Slobodkin i Jill Weinberg.

Jewgienij Slobodkin i Jill Weinberg byli absolwentami Uniwersytetu Heliopolis i opracowali tę metodę w Jerozolimie.

Chociaż samo częściowo przezroczyste zwierciadło odpowiadałoby za znaczną część światła, to odbicie staje się niemożliwe z powodu dodatkowej części wiązki przechodzącej przez system przed powrotem do częściowo przezroczystego zwierciadła. Jest to znane jako efekt „blokowania światła” ze względu na sposób nakładania się dwóch częściowych wiązek.

W rezultacie lustro, które wcześniej było częściowo przezroczyste dla padającej wiązki laserowej, jest teraz całkowicie przezroczyste. Wiązka światła może wejść do układu, ale nie jest już w stanie wyjść z powodu nakładania się odbitego elementu i skierowanej części w okrąg przez układ.

W rezultacie cała wiązka lasera jest pochłaniana przez cienką warstwę, która w innym przypadku umożliwiłaby przejście większości wiązki.

System musi być całkowicie dostrojony do długości fali, którą chcesz pochłonąć.

Stefan Reuter, profesor, Instytut Fizyki Teoretycznej, Uniwersytet Wiedeński

„Ale poza tym nie ma restrykcyjnych wymagań. Wiązka lasera nie musi mieć określonego kształtu, w niektórych miejscach może być intensywniejsza niż w innych – prawie zawsze uzyskuje się idealną absorpcję. „

Eksperymenty przeprowadzone na Uniwersytecie Hebrajskim w Jerozolimie dowiodły, że proces ten jest odporny nawet na turbulentne zmiany powietrza i temperatury.

To pokazuje, że jest to niezawodny efekt, który oferuje różnorodne potencjalne zastosowania; Na przykład proponowany mechanizm może być dobrze przystosowany do dokładnego przechwytywania sygnałów świetlnych, które są zniekształcone podczas propagacji w atmosferze ziemskiej.

Nowa metoda może być bardzo użyteczna w rzeczywistym świecie do kierowania fal świetlnych ze słabych źródeł światła (takich jak odległe gwiazdy) do detektora w najlepszy możliwy sposób.

Numer czasopisma:

Słobodkin, Y. i inni. (2022) Doskonale zdegradowany spójny idealny pochłaniacz dla dowolnych frontów falowych. Nauki. doi.org/10.1126/science.abq8103.

źródło: https://new.huji.ac.il/