Natuurkundigen in Oostenrijk en Israël zeggen dat ze een ‘anti-laser’ of ‘coherente perfecte absorber’ hebben ontwikkeld waarmee elk materiaal al het licht vanuit een breed scala aan hoeken kan absorberen. Het apparaat, gebaseerd op een reeks spiegels en lenzen, vangt binnenkomend licht op in een holte en dwingt het te circuleren, zodat het herhaaldelijk het absorberende medium raakt, totdat het volledig wordt geabsorbeerd. Dit heeft het potentieel om verschillende technieken voor het oogsten van licht, energieafgifte, lichtregeling en beeldvorming te verbeteren.
De absorptie van licht is belangrijk bij veel natuurlijke processen, variërend van zicht tot fotosynthese, maar ook bij natuurkundige en technische toepassingen zoals zonnepanelen en fotodetectoren. Technieken om de lichtabsorptie te verbeteren en zo de efficiëntie en gevoeligheid van op licht gebaseerde technologieën te vergroten zijn zeer gewild, maar dit kan een uitdaging zijn.
Stefan Rotter, een theoretisch natuurkundige bij Technische Universiteit Wenen, legt uit dat het gemakkelijk is om licht op te vangen en te absorberen met een omvangrijk, stevig voorwerp, zoals bijvoorbeeld een dikke zwarte wollen trui. Maar de meeste technische toepassingen maken gebruik van dunne lagen materiaal. Hoewel deze dunne materialen een deel van het licht absorberen, gaan grote delen ervan door.
Eén reden dat uilen en andere nachtdieren zo goed nachtzicht hebben, is dat ze achter hun netvlies een laag reflecterend weefsel hebben, het tapetum lucidum genaamd. Al het licht dat door het dunne netvlies gaat zonder te worden geabsorbeerd, wordt teruggekaatst en krijgt een tweede kans om te worden opgevangen. Om zo'n systeem verder te verbeteren, zou je nog een reflecterend oppervlak vóór het netvlies kunnen toevoegen. Het licht stuitert dan heen en weer tussen de twee spiegels en gaat meerdere keren door het lichtabsorberende oppervlak. Maar zo eenvoudig is het niet.
Om zo'n apparaat te laten werken, kan de voorspiegel niet perfect reflecterend zijn. Het moet gedeeltelijk transparant zijn, zodat er überhaupt licht in het systeem kan komen. Maar als het licht tussen de twee spiegels stuitert, zal een deel ervan verloren gaan via de gedeeltelijk transparante spiegel. Toen onderzoekers dergelijke opstellingen probeerden te repliceren, ontdekten ze dat ze alleen werken voor specifieke lichtpatronen. Terwijl bepaalde vormen van licht vast komen te zitten en herhaaldelijk het absorberende oppervlak raken, ontsnapt ander licht, bijvoorbeeld dat het apparaat binnenkomt onder een andere invalshoek of met een andere golflengte.
Nu Rotter en zijn collega's ook uit De Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalemhebben aangetoond dat er een veel efficiëntere lichtval kan worden gecreëerd als er twee lenzen tussen de twee spiegels worden geplaatst.
De lenzen zijn ontworpen om het licht zo te geleiden dat het altijd op dezelfde plek op de spiegels valt. Het interferentie-effect dat hierdoor ontstaat, voorkomt dat er licht door de gedeeltelijk transparante voorspiegel ontsnapt. In plaats daarvan raakt het gevangen in het systeem.
“In de praktijk vangt ons ontwerp binnenkomend licht op in een holte en dwingt het om in een holte te circuleren, waarbij het zwak absorberende monster keer op keer wordt geraakt totdat het perfect wordt geabsorbeerd en alle reflecties coherent destructief worden geëlimineerd”, legt Rotter uit. Natuurkunde wereld. Hij beschrijft het systeem als een omgekeerde laser. “In plaats van dat een laserversterkingsmedium elektrische energie omzet in coherente lichtstraling, absorbeert onze ‘time-reversed laser’ coherent licht en zet dit om in thermische energie – en mogelijk in de nabije toekomst in elektrische energie.”
De voorspiegel in de experimentele opstelling van de onderzoekers had een reflectievermogen van 70%, terwijl de achterspiegel een vrijwel perfecte reflectie had van 99.9%. Voor het lichtabsorberende medium gebruikten ze een dun stukje getint glas met een absorptie van ongeveer 15% – ongeveer 85% van het licht gaat er doorheen. Ze ontdekten dat hun apparaat het kleurenglas in staat stelde meer dan 94% van al het licht dat het systeem binnenkwam te absorberen.
Antireflectiecoating zorgt voor perfecte lichttransmissie
De onderzoekers gebruikten ook een aantal technieken om snel veranderende, complexe en willekeurige lichtvelden te creëren. Zelfs met deze dynamische variaties in de lichtbron maakte hun coherente perfecte absorber nog steeds een bijna perfecte absorptie mogelijk, beweren ze.
Rotter vertelt Natuurkunde wereld dat hun apparaat potentieel heeft in een breed scala aan toepassingen, met name rond het oogsten en verzenden van optische energie. Zo zou het volgens hem mogelijk kunnen zijn om de batterijen van een drone vanaf grote afstand op te laden met behulp van een laserstraal.
De onderzoekers beschrijven hun werk in Wetenschap.
