Международная исследовательская группа из научных сотрудников Венского технического университета (Австрия) и Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль) разработала «световую ловушку», которая способна идеально поглощать свет, не давая лучу выйти наружу. Об этом сообщает портал SciTechDaily. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Для процессов фотосинтеза, фотогальваники и других фотоэлектрических систем важно поглощать свет как можно полнее, чтобы эффективно его использовать. Однако это затруднительно, если поглощение должно происходить в тонком слое материала, который обычно пропускает большую часть света.
Теперь ученые нашли способ, позволяющий лучу света полностью поглощаться даже самыми тонкими материалами. 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 таким образом, что блокируется и уже не может выйти за пределы системы. В конечном итоге у света нет другого выхода, кроме как поглощаться – любым, даже очень тонким материалом.
Это результат плодотворного сотрудничества двух научных групп – из Израиля и Австрии. Новый подход был предложен профессором Ори Кацем из Еврейского университета в Иерусалиме и концептуализирован совместно с профессором Стефаном Роттером из Венского технического университета (TUW). Тестовый эксперимент был проведен лабораторией в Иерусалиме, а теоретические расчеты были сделаны учеными в Вене.
В новом подходе использованы волновые свойства света, чтобы устранить все обратные отражения за счет интерференции волн. Гельмут Хёрнер из TUW, посвятивший этой теме свою диссертацию, поясняет: «Сначала свет падает на частично прозрачное зеркало. Если просто направить лазерный луч на такое зеркало, он разделится на две части: большая часть отразится, меньшая часть проникнет в зеркало».
Часть светового луча, прошедшая через зеркало, при этом направляется сквозь 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», – пояснили Евгений Слободкин и Гил Вайнберг, аспиранты, построившие систему в Иерусалиме.
Два частичных луча перекрываются таким образом, что свет «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.
«Система должна быть точно настроена на длину волны, которую вы хотите поглощать. 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 – но всегда достигается почти идеальное поглощение», – отметил Стефан Роттер.
Даже турбулентность воздуха и колебания температуры не могут повредить механизму, как это было продемонстрировано в экспериментах, проведенных в Еврейском университете в Иерусалиме. Это доказывает надежность эффекта, который обещает широкий спектр применений – например, для идеального захвата световых сигналов, которые искажаются при передаче через атмосферу Земли, либо для оптимальной подачи световых волн от слабых источников света (таких как далекие звезды) в детектор.