"Ljusfällan" visas, bestående av en delvis transparent spegel, en tunn, svag absorbator, två konvergerande linser och en helt reflekterande spegel. Normalt skulle det mesta av den infallande ljusstrålen reflekteras. Men på grund av exakt beräknade interferenseffekter stör den infallande ljusstrålen den ljusstråle som reflekteras tillbaka mellan speglarna, så att den reflekterade ljusstrålen slutligen släcks helt. Ljusets energi sugs helt upp av den tunna och svaga absorbenten. Kredit:TU Wien
Oavsett om det är i fotosyntesen eller i ett solcellssystem:om du vill använda ljuset effektivt måste du absorbera det så fullständigt som möjligt. Detta är dock svårt om absorptionen ska ske i ett tunt lager material som normalt släpper igenom en stor del av ljuset.
Nu har forskarlag från TU Wien och från The Hebrew University of Jerusalem hittat ett överraskande knep som gör att en ljusstråle kan absorberas helt även i de tunnaste lagren:De byggde en "ljusfälla" runt det tunna lagret med hjälp av speglar och linser, i vilka ljusstrålen styrs i en cirkel och sedan överlagras på sig själv — exakt på ett sådant sätt att ljusstrålen blockerar sig själv och inte längre kan lämna systemet. Ljuset har alltså inget annat val än att absorberas av det tunna lagret – det finns ingen annan utväg.
Denna absorptions-amplifieringsmetod, som nu har presenterats i den vetenskapliga tidskriften Science , är resultatet av ett fruktbart samarbete mellan de två teamen:tillvägagångssättet föreslogs av Prof. Ori Katz från Hebrew University of Jerusalem och konceptualiserades med Prof. Stefan Rotter från TU Wien; experimentet utfördes av labbteamet i Jerusalem och de teoretiska beräkningarna kom från teamet i Wien.
Tunna lager är genomskinliga för ljus
"Absorbera ljus är lätt när det träffar ett fast föremål", säger prof. Stefan Rotter från Institutet för teoretisk fysik vid TU Wien. "En tjock svart ulltröja kan lätt absorbera ljus. Men i många tekniska tillämpningar har du bara ett tunt lager material tillgängligt och du vill att ljuset ska absorberas exakt i detta lager."
Det har redan gjorts försök att förbättra absorptionen av material:Till exempel kan materialet placeras mellan två speglar. Ljuset reflekteras fram och tillbaka mellan de två speglarna, passerar genom materialet varje gång och har därmed större chans att absorberas. Men för detta ändamål får speglarna inte vara perfekta - en av dem måste vara delvis genomskinlig, annars kan ljuset inte tränga igenom området mellan de två speglarna alls. Men detta betyder också att när ljuset träffar den här delvis genomskinliga spegeln så går en del av ljuset förlorat.
Ljuset blockerar sig självt
För att förhindra detta är det möjligt att använda ljusets vågegenskaper på ett sofistikerat sätt. "I vårt tillvägagångssätt kan vi avbryta alla bakåtreflektioner genom våginterferens", säger professor Ori Katz från The Hebrew University of Jerusalem. Helmut Hörner, från TU Wien, som ägnade sin avhandling åt detta ämne, förklarar:"Också i vår metod faller ljuset först på en delvis genomskinlig spegel. Om du bara skickar en laserstråle på denna spegel delas den i två delar:Den större delen reflekteras, en mindre del penetrerar spegeln."
Denna del av ljusstrålen som penetrerar spegeln skickas nu genom det absorberande materialskiktet och återförs sedan till den delvis genomskinliga spegeln med linser och ytterligare en spegel. "Det avgörande är att längden på denna väg och positionen för de optiska elementen justeras på ett sådant sätt att den återkommande ljusstrålen (och dess multipla reflektioner mellan speglarna) exakt tar bort ljusstrålen som reflekteras direkt vid den första spegeln ," säger Yevgeny Slobodkin och Gil Weinberg, doktoranderna som byggde systemet i Jerusalem.
De två delstrålarna överlappar varandra på ett sådant sätt att ljuset blockerar sig själv, så att säga:även om den delvis genomskinliga spegeln ensam faktiskt skulle reflektera en stor del av ljuset, omöjliggörs denna reflektion av att den andra delen av strålen färdas genom ljuset. systemet innan du återvänder till den delvis genomskinliga spegeln.
Därför blir spegeln, som tidigare var delvis genomskinlig, nu helt genomskinlig för den infallande laserstrålen. Detta skapar en enkelriktad gata för ljuset:ljusstrålen kan komma in i systemet, men sedan kan den inte längre fly på grund av överlagringen av den reflekterade delen och delen som leds genom systemet i en cirkel. Så ljuset har inget annat val än att absorberas – hela laserstrålen uppslukas av ett tunt lager som annars skulle låta större delen av strålen passera igenom.
Ett robust fenomen
"Systemet måste justeras exakt till den våglängd du vill absorbera", säger Stefan Rotter. "Men förutom det finns det inga begränsande krav. Laserstrålen behöver inte ha en specifik form, den kan vara mer intensiv på vissa ställen än på andra – nästan perfekt absorption uppnås alltid."
Inte ens luftturbulens och temperaturfluktuationer kan skada mekanismen, vilket visades i experiment utförda vid The Hebrew University i Jerusalem. Detta bevisar att det är en robust effekt som lovar ett brett spektrum av tillämpningar – till exempel kan den presenterade mekanismen till och med vara väl lämpad för att perfekt fånga ljussignaler som förvrängs under överföring genom jordens atmosfär. Det nya tillvägagångssättet kan också vara till stor praktisk användning för att optimalt mata ljusvågor från svaga ljuskällor (som avlägsna stjärnor) in i en detektor. + Utforska vidare
