Physiker in Österreich und Israel sagen, dass sie einen „Anti-Laser“ oder „kohärenten perfekten Absorber“ entwickelt haben, der es jedem Material ermöglichen kann, alles Licht aus einer Vielzahl von Winkeln zu absorbieren. Das Gerät, das auf einer Reihe von Spiegeln und Linsen basiert, fängt einfallendes Licht in einem Hohlraum ein und zwingt es zu zirkulieren, so dass es wiederholt auf das absorbierende Medium trifft, bis es vollständig absorbiert ist. Dies hat das Potenzial, verschiedene Lichtsammel-, Energieliefer-, Lichtsteuerungs- und Bildgebungstechniken zu verbessern.
Die Absorption von Licht ist in vielen natürlichen Prozessen wichtig, die vom Sehen bis zur Photosynthese reichen, sowie in physikalischen und technischen Anwendungen wie Sonnenkollektoren und Photodetektoren. Techniken zur Verbesserung der Lichtabsorption, um die Effizienz und Empfindlichkeit lichtbasierter Technologien zu steigern, sind sehr gefragt, aber dies kann eine Herausforderung darstellen.
Stefan Rott, ein theoretischer Physiker bei TU Wien, erklärt, dass es einfach ist, Licht mit einem sperrigen festen Objekt, wie beispielsweise einem dicken schwarzen Wollpullover, einzufangen und zu absorbieren. Die meisten technischen Anwendungen verwenden jedoch dünne Materialschichten. Während diese dünnen Materialien etwas Licht absorbieren, passieren große Teile davon.
Ein Grund dafür, dass Eulen und andere nachtaktive Tiere so gut nachts sehen, ist, dass sie hinter ihrer Netzhaut eine Schicht aus reflektierendem Gewebe haben, das sogenannte Tapetum lucidum. Jedes Licht, das die dünne Netzhaut durchdringt, ohne absorbiert zu werden, wird zurückgeworfen und hat eine zweite Chance, eingefangen zu werden. Um ein solches System weiter zu verbessern, könnte man eine weitere reflektierende Fläche vor der Netzhaut hinzufügen. Licht würde dann zwischen den beiden Spiegeln hin und her prallen und mehrere Male durch die lichtabsorbierende Oberfläche gehen. Aber ganz so einfach ist es nicht.
Damit ein solches Gerät funktioniert, kann der vordere Spiegel nicht perfekt reflektierend sein. Es muss teilweise transparent sein, damit überhaupt Licht in das System eindringen kann. Aber dann, wenn das Licht zwischen den beiden Spiegeln reflektiert wird, geht ein Teil davon durch den teilweise transparenten Spiegel verloren. Als Forscher versuchten, solche Anordnungen zu replizieren, stellten sie fest, dass sie nur für bestimmte Lichtmuster funktionieren. Während bestimmte Lichtarten eingefangen werden und wiederholt auf die absorbierende Oberfläche treffen, entweicht anderes Licht, das beispielsweise unter einem anderen Einfallswinkel oder mit einer anderen Wellenlänge in die Vorrichtung eintritt.
Nun schalten Rotter und seine Kollegen ebenfalls ab Die Hebräische Universität von Jerusalem, haben gezeigt, dass eine viel effizientere Lichtfalle geschaffen werden kann, wenn zwei Linsen zwischen den beiden Spiegeln platziert werden.
Die Linsen sind so konzipiert, dass sie das Licht so lenken, dass es immer auf die gleiche Stelle auf den Spiegeln trifft. Der dadurch entstehende Interferenzeffekt verhindert, dass Licht durch den teildurchlässigen Frontspiegel entweicht. Stattdessen wird es im System gefangen.
„In der Praxis fängt unser Design einfallendes Licht in einem Hohlraum ein und zwingt es, in einem Hohlraum zu zirkulieren, wobei es immer wieder auf die schwach absorbierende Probe trifft, bis es perfekt absorbiert ist und alle Reflexionen kohärent destruktiv eliminiert werden“, erklärt Rotter Physik-Welt. Er beschreibt das System als umgekehrt arbeitend wie ein Laser. „Anstatt elektrische Energie durch ein Laserverstärkungsmedium in kohärente Lichtstrahlung umwandeln zu lassen, absorbiert unser ‚zeitumgekehrter Laser‘ kohärentes Licht und wandelt es in thermische Energie um – und möglicherweise in naher Zukunft in elektrische Energie.“
Der vordere Spiegel im Versuchsaufbau der Forscher hatte einen Reflexionsgrad von 70 %, während der hintere Spiegel einen nahezu perfekten Reflexionsgrad von 99.9 % aufwies. Als lichtabsorbierendes Medium verwendeten sie ein dünnes Stück getöntes Glas mit einer Absorption von etwa 15 % – etwa 85 % des Lichts passieren es. Sie fanden heraus, dass ihr Gerät es dem Farbglas ermöglichte, über 94 % des gesamten Lichts zu absorbieren, das in das System eindrang.
Die Antireflexbeschichtung ermöglicht eine perfekte Lichtdurchlässigkeit
Die Forscher verwendeten auch eine Reihe von Techniken, um sich schnell ändernde, komplexe und zufällige Lichtfelder zu erzeugen. Selbst mit diesen dynamischen Variationen in der Lichtquelle ermöglichte ihr kohärenter perfekter Absorber immer noch eine nahezu perfekte Absorption, behaupten sie.
Rotter erzählt Physik-Welt dass ihr Gerät Potenzial in einer Vielzahl von Anwendungen hat, insbesondere im Bereich der optischen Energiegewinnung und -übertragung. Beispielsweise könnte man damit die Akkus einer Drohne per Laserstrahl aus großer Entfernung aufladen.
Die Forscher beschreiben ihre Arbeit in Wissenschaft.
