Fysiker i Österrike och Israel säger att de har utvecklat en "anti-laser", eller "koherent perfekt absorbator", som kan göra det möjligt för alla material att absorbera allt ljus från ett brett spektrum av vinklar. Enheten, baserad på en uppsättning speglar och linser, fångar in inkommande ljus i ett hålrum och tvingar det att cirkulera så att det träffar det absorberande mediet upprepade gånger, tills det är helt absorberat. Detta har potential att förbättra olika ljusinsamling, energileverans, ljuskontroll och bildtekniker.
Ljusabsorptionen är viktig i många naturliga processer, allt från syn till fotosyntes, såväl som i fysik och tekniska tillämpningar som solpaneler och fotodetektorer. Tekniker för att förbättra ljusabsorptionen för att öka effektiviteten och känsligheten hos ljusbaserad teknik är mycket eftertraktade, men detta kan vara utmanande.
Stefan Rotter, teoretisk fysiker vid Wiens Tekniska Universitet, förklarar att det är lätt att fånga och absorbera ljus med ett skrymmande fast föremål, som en tjock svart ullig tröja, till exempel. Men de flesta tekniska tillämpningar använder tunna lager av material. Medan dessa tunna material absorberar en del ljus passerar stora delar av det igenom.
En anledning till att ugglor och andra nattdjur har så bra mörkerseende är att de har ett lager av reflekterande vävnad, kallat tapetum lucidum, bakom näthinnan. Allt ljus som passerar genom den tunna näthinnan utan att absorberas studsar tillbaka och har en andra chans att fångas. För att förbättra ett sådant system ytterligare kan du lägga till ytterligare en reflekterande yta framför näthinnan. Ljus skulle sedan studsa fram och tillbaka mellan de två speglarna och passera genom den ljusabsorberande ytan flera gånger. Men det är inte riktigt så enkelt.
För att en sådan enhet ska fungera kan den främre spegeln inte vara perfekt reflekterande. Det måste vara delvis transparent så att ljus kan komma in i systemet i första hand. Men när ljuset studsar mellan de två speglarna kommer en del av det att gå förlorat genom den delvis genomskinliga spegeln. När forskare försökte replikera sådana uppställningar fann de att de bara fungerar för specifika ljusmönster. Medan vissa ljuslägen fastnar och upprepade gånger träffar den absorberande ytan, försvinner annat ljus, till exempel som kommer in i enheten med en annan infallsvinkel eller har en annan våglängd.
Nu Rotter och hans kollegor, också från Hebreiska universitetet i Jerusalem, har visat att en mycket effektivare ljusfälla kan skapas om två linser placeras mellan de två speglarna.
Linserna är designade för att styra ljuset så att det alltid träffar samma punkt på speglarna. Interferenseffekten som detta skapar förhindrar ljus från att strömma ut genom den delvis genomskinliga främre spegeln. Istället blir det fångat i systemet.
"I praktiken fångar vår design inkommande ljus i en kavitet och tvingar den att cirkulera i en kavitet, träffar det svagt absorberande provet gång på gång tills det är perfekt absorberat och alla reflektioner är sammanhängande destruktivt eliminerade," förklarar Rotter till Fysikvärlden. Han beskriver systemet som att det fungerar som en laser omvänt. "Istället för att låta ett laserförstärkningsmedium omvandla elektrisk energi till koherent ljusstrålning, absorberar vår "time-reversed laser" koherent ljus och omvandlar det till termisk energi - och möjligen inom en snar framtid till elektrisk energi."
Den främre spegeln i forskarnas experimentella uppställning hade en reflektans på 70 %, medan den bakre spegeln hade en nästan perfekt reflektans på 99.9 %. För det ljusabsorberande mediet använde de en tunn bit tonat glas med en absorption på cirka 15 % – cirka 85 % av ljuset passerar genom det. De fann att deras enhet gjorde det möjligt för färgglaset att absorbera över 94 % av allt ljus som kom in i systemet.
Antireflexbeläggning möjliggör perfekt ljustransmission
Forskarna använde också ett antal tekniker för att skapa snabbt föränderliga, komplexa och slumpmässiga ljusfält. Även med dessa dynamiska variationer i ljuskällan möjliggjorde deras sammanhängande perfekta absorbent fortfarande nästan perfekt absorption, hävdar de.
Rotter berättar Fysikvärlden att deras enhet har potential i ett brett spektrum av tillämpningar, särskilt kring optisk energiskörd och överföring. Till exempel säger han att det kan vara möjligt att använda den för att ladda batterierna i en drönare från ett stort avstånd med hjälp av en laserstråle.
Forskarna beskriver sitt arbete i Vetenskap.
