Исследователи построили «световую ловушку» вокруг тонкого слоя с помощью зеркал и линз, в которой световой пучок направляется по кругу, а затем накладывается сам на себя — ровно таким образом, что пучок света блокирует сам себя и больше не может выйти за пределы система.
Была разработана «световая ловушка», в которой луч света не дает себе выйти. Это позволяет идеально поглощать свет.
Если вы хотите эффективно использовать свет, вы должны поглощать его как можно полнее. Это верно как в фотосинтез и в фотоэлектрической системе. Однако это затруднительно, если поглощение должно происходить в тонком слое материала, который обычно пропускает большую часть света.
Теперь мы нашли удивительный трюк, позволяющий лучу света полностью поглощаться даже самыми тонкими слоями. Они построили вокруг тонкого слоя «световую ловушку» с помощью зеркал и линз, в которой световой пучок направляется по кругу, а затем накладывается сам на себя — ровно таким образом, что пучок света блокирует сам себя и уже не может выйти за пределы система. Таким образом, у света нет другого выхода, кроме как поглощаться тонким слоем – другого выхода нет.
Этот метод поглощения-усиления, разработанный исследовательскими группами Венского технического университета и Еврейского университета в Иерусалиме, будет представлен сегодня (25 августа 2022 г.) в научном журнале. Наука. Это результат плодотворного сотрудничества двух команд. Этот подход был предложен профессором Ори Кацем из Еврейского университета в Иерусалиме и концептуализирован совместно с профессором Стефаном Роттером из Технического университета Вены. Эксперимент был проведен командой лаборатории в Иерусалиме, а теоретические расчеты были сделаны командой из Вены.
Показана установка «световая ловушка», состоящая из частично прозрачного зеркала, тонкого слабого поглотителя, двух собирающих линз и полностью отражающего зеркала. Обычно большая часть падающего светового луча отражается. Однако из-за точно рассчитанных интерференционных эффектов падающий световой луч интерферирует с световым лучом, отраженным между зеркалами, так что отраженный световой луч в конечном итоге полностью гасится. Энергия света полностью поглощается тонким и слабым поглотителем. XNUMX кредит
Тонкие слои прозрачны для света
«Поглощать свет легко, когда он попадает на твердый объект», — говорит профессор Стефан Роттер из Института теоретической физики Венского технического университета. «Толстый черный шерстяной свитер легко поглощает свет. Но во многих технических приложениях у вас есть только тонкий слой материала, и вы хотите, чтобы свет поглощался именно этим слоем».
Уже предпринимались попытки улучшить абсорбцию материалов. Например, материал можно поместить между двумя зеркалами. Свет отражается туда и обратно между двумя зеркалами, каждый раз проходя сквозь материал и, таким образом, имеет больше шансов быть поглощенным. Однако для этого зеркала не должны быть идеальными — одно из них должно быть частично прозрачным, иначе свет вообще не сможет проникнуть в пространство между двумя зеркалами. Но это также означает, что всякий раз, когда свет попадает на это частично прозрачное зеркало, часть света теряется.
Свет блокирует себя
Чтобы предотвратить это, можно изощренно использовать волновые свойства света. «В нашем подходе мы можем устранить все обратные отражения за счет интерференции волн», — говорит профессор Ори Кац из Еврейского университета в Иерусалиме. Гельмут Хёрнер из Технического университета Вены, посвятивший этой теме свою диссертацию, поясняет: «В нашем методе свет тоже сначала падает на частично прозрачное зеркало. Если просто направить лазерный луч на это зеркало, оно разделится на две части: большая часть отразится, меньшая часть проникнет в зеркало».
Эта часть светового луча, прошедшая через зеркало, теперь проходит через слой поглощающего материала, а затем возвращается к частично прозрачному зеркалу с линзами и еще одному зеркалу. «Ключевым моментом является то, что длина этого пути и положение оптических элементов отрегулированы таким образом, чтобы возвращающийся световой пучок (и его многократные отражения между зеркалами) точно компенсировал световой пучок, отраженный непосредственно от первого зеркала. », — говорят Евгений Слободкин и Гил Вайнберг, аспиранты, построившие систему в Иерусалиме.
Два частичных луча перекрываются таким образом, что свет, так сказать, блокирует сам себя. Хотя частично прозрачное зеркало само по себе фактически отражало бы большую часть света, это отражение становится невозможным из-за того, что другая часть луча проходит через систему, прежде чем вернуться к частично прозрачному зеркалу.
Поэтому зеркало, которое раньше было частично прозрачным, теперь становится полностью прозрачным для падающего лазерного луча. По сути, это создает для света улицу с односторонним движением: луч света может войти в систему, но затем уже не может выйти из-за наложения отраженной части и части, проходящей через систему по кругу. Таким образом, у света нет другого выбора, кроме как поглощаться — весь лазерный луч поглощается тонким слоем, который в противном случае пропускал бы большую часть луча.
Надежное явление
«Система должна быть точно настроена на длину волны, которую вы хотите поглощать», — говорит Стефан Роттер. «Но кроме этого никаких ограничивающих требований нет. Лазерный луч не обязательно должен иметь определенную форму, в одних местах он может быть более интенсивным, чем в других — всегда достигается почти идеальное поглощение».
Даже турбулентность воздуха и колебания температуры не могут повредить механизму, как это было продемонстрировано в экспериментах, проведенных в Еврейском университете в Иерусалиме. Это доказывает, что это надежный эффект, который обещает широкий спектр приложений — например, представленный механизм может даже хорошо подходить для идеального захвата световых сигналов, которые искажаются при передаче через атмосферу Земли. Новый подход также может иметь большое практическое значение для оптимальной подачи световых волн от слабых источников света (таких как далекие звезды) в детектор.
Ссылка: «Массивно вырожденный когерентный идеальный поглотитель для произвольных волновых фронтов» 25 августа 2022 г., Наука.
DOI: 10.1126/science.abq8103.
