Les chercheurs ont construit un «piège à lumière» autour d'une couche mince à l'aide de miroirs et de lentilles, dans lequel le faisceau lumineux est dirigé dans un cercle puis superposé sur lui-même - exactement de telle sorte que le faisceau de lumière se bloque et ne peut plus quitter le système.
Un « piège à lumière » a été développé dans lequel un faisceau de lumière s'empêche de s'échapper. Cela permet à la lumière d'être parfaitement absorbée.
Si vous voulez utiliser efficacement la lumière, vous devez l'absorber aussi complètement que possible. Cela est vrai à la fois dans la photosynthèse et dans un système photovoltaïque. Cependant, cela est difficile si l'absorption doit se faire dans une fine couche de matériau qui laisse normalement passer une grande partie de la lumière.
Maintenant, nous avons trouvé une astuce surprenante qui permet à un faisceau de lumière d'être complètement absorbé même dans les couches les plus fines. Ils ont construit un «piège à lumière» autour de la couche mince à l'aide de miroirs et de lentilles, dans lequel le faisceau lumineux est dirigé dans un cercle puis superposé sur lui-même - exactement de telle sorte que le faisceau de lumière se bloque et ne peut plus quitter le système. Ainsi, la lumière n'a d'autre choix que d'être absorbée par la fine couche – il n'y a pas d'autre issue.
Cette méthode d'absorption-amplification, des équipes de recherche de TU Wien et de l'Université hébraïque de Jérusalem, sera présentée aujourd'hui (25 août 2022) dans la revue scientifique Sciences. Il est le fruit d'une collaboration fructueuse entre les deux équipes. L'approche a été suggérée par le professeur Ori Katz de l'Université hébraïque de Jérusalem et conceptualisée avec le professeur Stefan Rotter de la TU Wien. L'expérience a été réalisée par l'équipe du laboratoire de Jérusalem et les calculs théoriques provenaient de l'équipe de Vienne.
La configuration du "piège à lumière" est représentée, composée d'un miroir partiellement transparent, d'un absorbeur mince et faible, de deux lentilles convergentes et d'un miroir totalement réfléchissant. Normalement, la majeure partie du faisceau lumineux incident serait réfléchie. Cependant, en raison d'effets d'interférence calculés avec précision, le faisceau lumineux incident interfère avec le faisceau lumineux réfléchi entre les miroirs, de sorte que le faisceau lumineux réfléchi est finalement complètement éteint. L'énergie de la lumière est complètement aspirée par l'absorbeur mince et faible. Crédit : TU Wien
Les couches minces sont transparentes à la lumière
"Il est facile d'absorber la lumière lorsqu'elle frappe un objet solide", explique le professeur Stefan Rotter de l'Institut de physique théorique de la TU Wien. « Un gros pull en laine noire peut facilement absorber la lumière. Mais dans de nombreuses applications techniques, vous ne disposez que d'une fine couche de matériau et vous souhaitez que la lumière soit absorbée exactement dans cette couche.
Des tentatives ont déjà été faites pour améliorer l'absorption des matériaux. Par exemple, le matériau peut être placé entre deux miroirs. La lumière est réfléchie dans les deux sens entre les deux miroirs, traversant à chaque fois la matière et ayant ainsi plus de chances d'être absorbée. Cependant, à cette fin, les miroirs ne doivent pas être parfaits - l'un d'eux doit être partiellement transparent, sinon la lumière ne peut pas du tout pénétrer dans la zone située entre les deux miroirs. Mais cela signifie également que chaque fois que la lumière frappe ce miroir partiellement transparent, une partie de la lumière est perdue.
La lumière se bloque
Il est possible d'utiliser les propriétés ondulatoires de la lumière de manière sophistiquée afin d'éviter cela. "Dans notre approche, nous sommes en mesure d'annuler toutes les rétro-réflexions par interférence d'ondes", explique le professeur Ori Katz de l'Université hébraïque de Jérusalem. Helmut Hörner, de la TU Wien, qui a consacré sa thèse à ce sujet, explique : « Dans notre méthode aussi, la lumière tombe d'abord sur un miroir partiellement transparent. Si vous envoyez simplement un faisceau laser sur ce miroir, il est divisé en deux parties : la plus grande partie est réfléchie, une plus petite partie pénètre dans le miroir. »
Cette partie du faisceau lumineux qui pénètre dans le miroir est maintenant envoyée à travers la couche de matériau absorbant puis renvoyée vers le miroir partiellement transparent avec des lentilles et un autre miroir. « L'essentiel est que la longueur de ce trajet et la position des éléments optiques soient réglées de manière à ce que le faisceau lumineux renvoyé (et ses réflexions multiples entre les miroirs) annule exactement le faisceau lumineux réfléchi directement sur le premier miroir. », explique Yevgeny Slobodkin et Gil Weinberg, les étudiants diplômés qui ont construit le système à Jérusalem.
Les deux faisceaux partiels se chevauchent de telle manière que la lumière se bloque, pour ainsi dire. Bien que le miroir partiellement transparent réfléchisse à lui seul une grande partie de la lumière, cette réflexion est rendue impossible par l'autre partie du faisceau traversant le système avant de revenir sur le miroir partiellement transparent.
Par conséquent, le miroir, qui était auparavant partiellement transparent, devient maintenant complètement transparent pour le faisceau laser incident. Cela crée essentiellement une rue à sens unique pour la lumière : le faisceau lumineux peut entrer dans le système, mais ensuite il ne peut plus s'échapper en raison de la superposition de la partie réfléchie et de la partie guidée à travers le système en cercle. Ainsi, la lumière n'a d'autre choix que d'être absorbée - l'ensemble du faisceau laser est englouti par une fine couche qui, autrement, laisserait passer la majeure partie du faisceau.
Un phénomène robuste
« Le système doit être réglé exactement sur la longueur d'onde que vous souhaitez absorber », explique Stefan Rotter. «Mais à part cela, il n'y a pas d'exigences limitatives. Le faisceau laser n'a pas besoin d'avoir une forme spécifique, il peut être plus intense à certains endroits qu'à d'autres – une absorption presque parfaite est toujours obtenue.
Même les turbulences de l'air et les fluctuations de température ne peuvent pas endommager le mécanisme, comme cela a été démontré dans des expériences menées à l'Université hébraïque de Jérusalem. Cela prouve qu'il s'agit d'un effet robuste qui promet un large éventail d'applications – par exemple, le mécanisme présenté pourrait même être bien adapté pour capter parfaitement les signaux lumineux déformés lors de leur transmission à travers l'atmosphère terrestre. La nouvelle approche pourrait également être d'une grande utilité pratique pour alimenter de manière optimale des ondes lumineuses provenant de sources lumineuses faibles (telles que des étoiles lointaines) dans un détecteur.
Référence : « Absorbeur parfait cohérent massivement dégénéré pour fronts d'onde arbitraires » 25 août 2022, Sciences.
DOI : 10.1126/science.abq8103
