Om du har sett regnbågsmönstret som dansar på ytan av en CD eller DVD, då har du sett diffraktion på jobbet. Skivan fungerar som ett diffraktionsgitter, ett optiskt element som sprider ljus i olika färger eller våglängder.

Denna uppdelning av ljus kan inträffa på vilken period som helst, eller krusade, yta. Riktningen för dessa delade ljusstrålar, och efterföljande spridning av ljus, kan uppskattas genom en vanlig uppsättning ekvationer som kallas den icke-paraxiella skalära diffraktionsteorin. Christi Madsen, professor vid Department of Electrical and Computer Engineering vid Texas A&M University, testar gränserna för denna grundläggande teori så att en mer exakt förståelse av spridningsförluster kan uppnås.

Madsen arbetar för att förbättra de system som genererar solenergi genom att använda koncentrerade speglar eller linser genom att få ljuset mer effektivt till omvandlaren – oavsett om det är solceller, som omvandlar solljus till elektricitet, eller termisk, som omvandlar värme till el – och minskar den totala systemförlusten.

Hennes forskning om ämnet publicerades i marsnumret av tidskriften Tillämpad optik . Med detta papper, Madsen tog upp hur långt borta en grundläggande beräkning av diffraktionseffektivitet kan vara (lätt över 10%) när det gäller att uppskatta spridningseffektiviteten och visade sedan hur man kan komma inom 1-2% noggrannhet på beräkningen.

En optisk fiber är en flexibel, transparent fiber som överför ljus mellan de två ändarna. Tänk dig en upplyst leksak med klar, genomskinliga fibrer som kan köpas för ett barn att vifta runt på en konsert eller ett event. Madsen förklarade att standardoptiska fibrer är användbara för många verkliga tillämpningar, som datornätverk och telekommunikation, men de är helt enkelt inte praktiska att flytta solljus till en annan plats på grund av sin lilla storlek.

På grund av den begränsade ljusstyrkan hos solljus jämfört med lasrar, större vågledare, eller ljusrör, måste användas för att transportera det koncentrerade solljuset från punkt A till punkt B.

"Ljusrör är stora versioner av optiska fibrer, som bär ljus extremt långa sträckor med mycket låg förlust (t.ex. mer än 90 % överföringseffektivitet över en mils avstånd) men har en mycket liten yta som styr ljuset (t.ex. 10 mikron diameter, jämfört med 1 millimeter eller större för ljusrör), sa Madsen.

Även om ljusrör är lovande, särskilt när de är gjorda av glas, de lider för närvarande av högre förluster under överföringen av ljus på grund av spridning på ytan, vilket är en betydande teknisk fråga – en Madsen är fast besluten att förändra.

"En av de dominerande förlusterna inträffar vid vågledarens yta, sa Madsen. Så, om vi kan få de här spridningsförlusterna låga – lika låga som i en optisk fiber – skulle vi kunna gå långt med det koncentrerade solljuset."

Istället för att omvandla solljus till elektrisk kraft för omedelbar användning, Madsen föreställer sig att fjärrstyra ljusenergi till en annan plats optiskt genom att koncentrera solljus och använda vågledare.

Med en kilowatt per kvadratmeter från solen, koncentrationsfaktorer i storleksordningen 1, 000 möjliggör att betydande mängder solenergi kan överföras via ljusrör till en separat plats och sedan omvandlas till termisk eller elektrisk energi. Ett exempel är industriell processuppvärmning, där tillverkningsprocesser ligger på avstånd från soluppsamlingsområdet. Ljusrör har potential att transportera optisk kraft med högre effektivitet än de värmeöverföringssystem som används för närvarande.

Madsens nästa steg blir att bestämma hur noggranna mätningar på tillverkade ljusrör och simuleringar är, vilket kommer att ge henne en korrekt uppfattning om vilken ytkvalitet som krävs för en given ljusrörtransmission kontra längd.