为光线创造了一个完美的陷阱

放大字体  缩小字体 2022-08-31 15:44  浏览次数:

Creating a perfect trap for light

无论是在光合作用还是光伏系统中:如果你想有效地利用光,你必须尽可能完全地吸收它。然而,如果吸收发生在一层薄薄的材料中,通常会让大部分光线通过,这就很难做到。

现在,研究小组从你Wien和耶路撒冷希伯来大学的(胡)发现了一个惊人的技巧,甚至允许将一束光完全吸收的薄层:他们建立了一个“光陷阱”在薄层使用反射镜和透镜,光束的带领围成一个圈,然后叠加在自己这样的光束块本身,可以不再离开系统。因此,光别无选择,只能被薄层吸收——没有其他出路。

这种吸收-放大方法已经发表在科学杂志《科学》上,是两个团队富有成果的合作成果:该方法由耶路撒冷希伯来大学的Ori Katz教授提出,并由维也纳大学的Stefan Rotter教授提出;实验是由耶路撒冷的实验室团队进行的,理论计算来自维也纳的团队。

维也纳大学理论物理研究所的斯蒂芬·罗特教授说:“当光碰到固体物体时,吸收它很容易。”“厚重的黑色羊毛套衫很容易吸收光线。但在许多技术应用中,你只有一层薄薄的材料可用,你希望光恰好被这一层吸收。”

已经有人尝试改善材料的吸收:例如,材料可以放置在两个镜子之间。光线在两个镜子之间来回反射,每次都穿过材料,因此有更大的机会被吸收。然而,为了达到这个目的,镜子不能是完美的——其中一个必须是部分透明的,否则光根本无法穿透两个镜子之间的区域。但这也意味着,每当光线照射到这面部分透明的镜子时,一些光线就会丢失。

为了防止这种情况的发生,我们可以用一种复杂的方法来利用光的波动特性。HU的Ori Katz教授指出:“在我们的方法中,我们能够通过波的干扰来消除所有的反向反射。”赫尔穆特Hörner,来自维也纳大学,他的论文专门研究这个问题,他解释说:“在我们的方法中,也一样,光线首先落到一个部分透明的镜子上。如果你简单地把激光束射到镜子上,它会被分成两部分:较大的部分被反射,较小的部分穿透镜子。”

穿透镜子的这部分光束现在通过吸收材料层,然后通过透镜和另一面镜子返回到部分透明的镜子。“关键是路径的长度和光学元件的位置要调整到这样一种方式,即返回的光束(及其在镜子之间的多次反射)正好抵消直接反射在第一个镜子上的光束”,在耶路撒冷建造该系统的HU研究生Yevgeny Slobodkin和Gil Weinberg说。

可以这么说,两束部分光束以这样一种方式重叠,光会挡住自己:尽管仅部分透明的镜面实际上会反射大部分光,但这种反射是不可能的,因为光束的另一部分穿过系统,然后回到部分透明的镜面。

因此,对于入射的激光束,原来部分透明的镜子现在变成了完全透明的。这就为光线创造了一条单行道:光束可以进入系统,但由于反射部分和通过系统的引导部分在一个圆圈内的叠加,它就不能再逃逸了。所以光别无选择,只能被吸收——整个激光束被一层薄层吞噬,否则大部分光束就可以通过。

Rotter解释说:“这个系统必须精确地调整到你想要吸收的波长。”“但除此之外,没有任何限制要求。激光束不需要有特定的形状,它可以在某些地方比其他地方更强——几乎完美的吸收总是可以实现的。”

耶路撒冷希伯来大学进行的实验表明,即使是空气湍流和温度波动也不会损害这一机制。这证明了这是一个稳健的效应,有望有广泛的应用——例如,所提出的机制甚至可以很好地适用于完美捕获在地球大气层传输过程中扭曲的光信号。这种新方法在实际应用中也很有用,它可以将弱光源(如遥远的恒星)的光波最佳地送入探测器。

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