Новый способ фильтрации света

25 апрель, 2014 - 12:23Леонид Бараш

Световые волны могут определяться тремя основными характеристиками: длиной волны, поляризацией и направлением распространения. В то время как уже давно можно выборочно фильтровать свет в соответствии с его длиной волны или поляризацией, селективность на основе направления распространения так и не получила.

Но теперь впервые исследователи из МТИ разработали систему, которая позволяет свету любой длины волны проходить только в том случае, если он исходит под одним конкретным углом, отражая весь свет, идущий с других направлений. Этот новый подход может в конечном итоге привести к достижениям в солнечных батареях, детекторах для телескопов и микроскопов, фильтров конфиденциальности для экранов мониторов.
«Мы рады этому достижению, потому что это один из основных фундаментальных строительных блоков, обеспечивающих нашу способность контролировать свет», - сказал проф. Марин Сольячич (Marin Soljačić).

Новая структура состоит из стопки чередующихся ультратонких слоев двух материалов, в которой толщина каждого слоя точно контролируется. «Когда у вас есть два материала, то, вообще говоря, на границе между ними вы получите некоторое отражение, - объясняет проф. Сольячич. - Но на этих поверхностях раздела есть волшебный угол, называемый углом Брюстера, и когда свет падает точно под этим углом и при соответствующей поляризации, то отражение отсутствует».

Хотя количество отраженного света на каждой из этих границ невелико, путем объединения многих слоев с одинаковыми свойствами большая часть света может быть отражена, за исключением того, что падает точно под углом Брюстера и с определенной поляризацией.

«Используя стек с примерно 80 чередующимися слоями точной толщины, мы в состоянии отражать свет в большинстве углов и в очень широком диапазоне частот: весь видимый свет», - сказал аспирант Ичень Шень (Yichen Shen). По мнению команды, новая система может открыть много потенциальных применений в области энергетики и особенно в солнечной термофотогальванике, где солнечная энергия используется для нагрева материала, который, в свою очередь, излучает свет определенной длины волны. Это излучение может быть собрано с помощью фотоэлемента, чувствительного к данной длине волны. Но при таком подходе важно ограничить тепловые и световые потери при отражении и при вторичном излучении, поэтому способность выборочно управлять этим отражением может повысить эффективность работы.

Полученные результаты могут также оказаться полезными в оптических системах, таких как микроскопы и телескопы, для просмотра мелких объектов, которые близки к более ярким объектам, например, тусклая планета рядом с яркой звездой. С помощью системы, которая пропускает свет только под определенным углом, такие устройства могут иметь улучшенную способность обнаруживать слабосветящиеся цели.

В принципе, угловую селективность можно сузить, просто добавив несколько слоев в стек, говорят исследователи. Для экспериментов, выполненных до сих пор, угол селективности был около 10 градусов; примерно 90% света, падающего в пределах этого угла, могло пройти.

Хотя эти эксперименты были проведены с использованием слоев стекла и оксида тантала, в принципе, могут быть использованы любые два материала с различными показателями преломления.

Новый способ фильтрации света

На этой фотографии образца для угловой селекции (прямоугольная область) луч белого света проходит так, как если бы образец был прозрачным стеклом. Красный луч, входя под другим углом, отражается, как если бы образец был зеркалом. Остальные линии являются отраженными лучами. (Установка погружена в жидкость, заполненную рассеивающими свет частицами, чтобы сделать лучи видимыми).