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周四,三月28,2024
新闻一个完美的光陷阱——让光被完美地吸收……

完美的光陷阱——让光在光合作用和光伏发电中被完美吸收

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物理概念光阱

研究人员使用镜子和透镜在薄层周围建立了一个“光阱”,其中光束被引导成一个圆圈,然后叠加在自身上 - 正是以这样一种方式,光束阻挡了自己并且不能再离开系统。


开发了一种“光阱”,其中一束光可以防止其自身逃逸。 这允许光被完美地吸收。

如果你想有效地利用光,你必须尽可能完全地吸收它。 这在两个方面都是正确的 光合作用 在光伏系统中。 然而,如果吸收发生在通常让大部分光通过的薄层材料中,这将是困难的。


现在,发现了一个令人惊讶的技巧,即使在最薄的层中也可以完全吸收光束。 他们使用镜子和透镜在薄层周围建立了一个“光阱”,其中光束被引导成一个圆圈,然后叠加在自身上 - 正是以这样一种方式,光束阻挡了自己并且不能再离开系统。 因此,光线除了被薄层吸收之外别无选择——没有其他出路。

来自维也纳工业大学和耶路撒冷希伯来大学的研究团队的这种吸收-放大方法将于今天(25 年 2022 月 XNUMX 日)在科学期刊上发表 科学. 这是两个团队之间卓有成效的合作的结果。 该方法由耶路撒冷希伯来大学的 Ori Katz 教授提出,并由 TU Wien 的 Stefan Rotter 教授提出。 该实验由耶路撒冷的实验室团队进行,理论计算来自维也纳的团队。

光的完美陷阱

图中显示了“光阱”设置,包括一个部分透明的镜子、一个薄而弱的吸收器、两个会聚透镜和一个全反射镜。 通常,大部分入射光束会被反射。 然而,由于精确计算的干涉效应,入射光束与反射镜之间反射回来的光束发生干涉,使得反射光束最终完全熄灭。 光的能量被薄而弱的吸收体完全吸收。 学分:TU Wien


薄层对光是透明的

TU Wien 理论物理研究所的 Stefan Rotter 教授说:“当光线击中固体物体时,吸收光线很容易。” “厚厚的黑色羊毛套头衫很容易吸收光线。 但在许多技术应用中,您只有一层薄薄的材料可用,并且您希望光线完全被这一层吸收。”

已经尝试改善材料的吸收。 例如,可以将材料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,因此被吸收的机会更大。 然而,为此目的,镜子不能是完美的——其中一个必须是部分透明的,否则,光线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上时,就会丢失一些光线。

光挡住了自己

为了防止这种情况,可以以复杂的方式使用光的波动特性。 “在我们的方法中,我们能够通过波干涉消除所有背向反射,”耶路撒冷希伯来大学的 Ori Katz 教授说。 来自 TU Wien 的 Helmut Hörner 将他的论文专门研究了这个主题,他解释说:“在我们的方法中,同样,光线首先落在一面部分透明的镜子上。 如果你只是将激光束发射到这面镜子上,它就会分成两部分:较大的部分被反射,较小的部分穿透镜子。”

这部分穿过镜子的光束现在通过吸收材料层,然后返回到带有透镜的部分透明镜子和另一个镜子。 “关键是调整这条路径的长度和光学元件的位置,使返回的光束(以及它在镜子之间的多次反射)准确地抵消直接在第一个镜子上反射的光束,”在耶路撒冷建立该系统的研究生 Yevgeny Slobodkin 和 Gil Weinberg 说。


可以说,两个部分光束以这样的方式重叠,即光阻挡了自身。 尽管仅部分透明的镜子实际上会反射大部分光,但由于光束的另一部分在返回到部分透明的镜子之前穿过系统,因此这种反射是不可能的。

因此,过去是部分透明的镜子现在对入射激光束变得完全透明。 这实质上为光创造了一条单向街道:光束可以进入系统,但由于反射部分和引导通过系统的部分在圆周上的叠加,它不能再逃逸。 因此,光线别无选择,只能被吸收——整个激光束被薄薄的一层吞噬,否则大部分光束都可以通过。

一个强大的现象

“系统必须精确调整到您想要吸收的波长,”Stefan Rotter 说。 “但除此之外,没有限制要求。 激光束不必具有特定的形状,它在某些地方可能比在其他地方更强烈——总是可以实现几乎完美的吸收。”

正如在耶路撒冷希伯来大学进行的实验所证明的那样,即使是空气湍流和温度波动也不会损害该机制。 这证明了它是一种强大的效应,有望得到广泛的应用——例如,所提出的机制甚至可以非常适合完美地捕捉在通过地球大气层传输过程中失真的光信号。 这种新方法对于将来自弱光源(例如遥远的恒星)的光波最佳地馈送到探测器也有很大的实际用途。

参考:“任意波前的大规模退化相干完美吸收体”,25 年 2022 月 XNUMX 日, 科学.
DOI:10.1126/science.abq8103

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