Figur 1. Ett ogenomskinligt material som belyses med en laserstråle (grön) vars vågfronter är rumsligt formade. En del av det formade infallande ljuset är fokuserat på baksidan av det ogenomskinliga mediet, och en del av ljuset sprids slumpmässigt i en omgivande diffus bakgrund. Isolerade fluorescerande nanosfärer (röda prickar) tjänar till att ”rapportera” energitätheten för det gröna ljuset via den röda intensiteten som samlas in i Twente -experimentet. Kredit:University of Twente
Precis som glada människor på en fest, fotoner utför slumpmässiga promenader genom vit färg; men deras täthet förblev utom kontroll. Nyligen, forskare vid University of Twente i Nederländerna har lyckats kontrollera fotonens energitäthet inuti ogenomskinliga material som vit färg.
Genom att kombinera isolerade fluorescerande nanosfärer inuti den vita färgen som "reportrar" med avancerad vågfrontsformning av infallande ljus, forskarna observerar att energitätheten för fotoner i färgen förbättras kraftigt, i utmärkt överensstämmelse med en ny teori.
Resultaten hittar applikationer inom belysning, solceller, biomedicinsk optik och slumpmässiga lasrar, och publiceras i juli i Optical Society's (OSA) högeffektiva tidskrift Optica i ett papper med titeln "3D-rumsligt upplöst optisk energitäthet förbättrad av vågfrontsformning."
När en konstant ström av fotoner i en laserstråle lyser på ett ogenomskinligt material som vit färg, pulver, snö, eller biologisk vävnad, de slumpmässigt arrangerade partiklarna i materialet sprider fotonerna slumpmässigt. Inuti materialet, fotonerna gör en slumpmässig promenad, liknar en glad, något berusad, person som försöker nå andra sidan av partiet.
Därav, endast få fotoner överförs genom det ogenomskinliga materialet, och det mest infallande ljuset reflekteras. Detta är anledningen till att snön är ljusvit:de flesta fotoner som infaller från solen reflekteras.
Fotonerna som utför slumpmässiga promenader inuti den vita färgen har en ganska låg densitet som smidigt minskar från ett maximum nära den främre ytan mot baksidan. För att uppnå en effektiv energiomvandling för applikationer som halvledarljus, solceller, biomedicinsk optik, och slumpmässiga lasrar, dock, så många som möjligt fotoner bör gå till riktade platser djupt inne i ett spridningsmedium, med andra ord:"så många glada människor som möjligt bör samlas på festplatsen."
Figur 2. Differentialfluorescensförbättring sonderad av nanosfärer på olika djup z, samtidigt som den infallande vågfronten av ljus formas för att nå ett fokuserat mål vid provets baksida (jämför bild 1). Förbättringen ökar med djupet z, vilket betyder att fotonerna har en mycket större densitet mycket djupare inuti den vita 3D -färgen. Kredit:University of Twente
Utan detaljerad kunskap om den mycket komplexa tredimensionella (3-D) strukturen hos den vita färgen, det verkar omöjligt att kontrollera 3-D-densiteten för fotoner inuti materialet. Dock, Twente -teamet har framgångsrikt löst detta problem genom att använda nyligen utvecklade avancerade metoder där vågfronten för det infallande ljuset är rumsligt formad, se figur 1.
Twente -metoden bygger på insikten att ett spridningsmedium har tusentals sändande kanaler. Anmärkningsvärt, högt överförande kanaler finns bland alla kanaler. Ljus kopplas selektivt till de högt överförande kanalerna när ett optimerat fokus görs på färgens baksida genom att rumsligt forma vågfronten av infallande ljus.
Även om ljus-input-output-förhållandet lätt kan detekteras, den interna optiska energitätheten förblir okänd. Professor Willem Vos förklarar:"Populärt sagt, vi misstänkte redan att vi kunde övertyga många glada människor (fotoner) att gå med i en fest inuti den vita färgen. Men vi visste ännu inte hur festen såg ut, eftersom du inte kan titta in i ett ogenomskinligt material. Och vi visste inte heller hur många som kunde vara med. "
För att lösa detta problem, Twente -teamet använder isolerade fluorescerande nanosfärer dispergerade i den vita färgen som rapporterande partiklar. Den tredimensionella (x, y, z) -positionen för varje nanopartikel erhålls genom det fluorescerande intensitetsmönstret på baksidan. Samtidigt, energitäthetsförbättringen avslöjas genom att skanna förbättringen av den totala fluorescerande intensiteten.
Med bara en enda liten nanosfär åt gången, Twente -laget var tvungen att göra noggrant långa observationer för att samla in tillräcklig fluorescens. Till sist, en stark positionsberoende energitäthetsförbättring observerades, som befinner sig mycket väl överens med en nyutvecklad teori. Teamet lyckades inte bara observera energiförbättring kontra djup - som visas i figur 2 - utan också i sidled.
Vos säger, "Dessa resultat är goda nyheter för många applikationer som rör optisk energiomvandling i vitfärgliknande ogenomskinliga material. Vi har nu ett verktyg för att bokstavligen" röra "ljus genom vit färg för att hamna på önskade platser. Till exempel, vi kan nu styra vitheten hos en vit lysdiod, genom att optimera för varmt eller kallt vitt ljus. Och detta tas emot med stort intresse av våra kollegor i belysningsindustrin. "
