Антилазер забезпечує майже ідеальне поглинання світла

Антилазер забезпечує майже ідеальне поглинання світла

Поглинання світла є важливим у багатьох природних процесах, починаючи від зору і закінчуючи фотосинтезом, а також у фізиці та застосуваннях, таких як сонячні панелі та фотодетектори. Методи покращення поглинання світла з метою підвищення ефективності та чутливості світлових технологій дуже потрібні. Світло легко захопити й поглинути повністю товстим предметом, але більшість технічних застосувань використовують тонкі шари матеріалу, які поглинають лише частину світла, а значна його частина проходить крізь них.

Однією з причин того, що сови та інші нічні тварини мають такий хороший нічний зір, є те, що вони мають шар відбивної тканини, який називається tapetum lucidum, позаду сітківки. Будь-яке світло, яке проходить крізь тонку сітківку без поглинання, повертається назад і має другий шанс бути захопленим. Для подальшого вдосконалення такої системи можна додати ще одну поверхню, що відбиває, перед сітківкою. Тоді світло відбиватиметься туди-сюди між двома дзеркалами, багаторазово проходячи через поверхню, що поглинає світло. Але щоб такий пристрій працював, переднє дзеркало не може мати ідеальне відбивання. Воно має бути частково прозорим, щоб світло могло проникати в систему. Але тоді, коли світло відбивається між двома дзеркалами, частина його буде втрачена через частково прозоре дзеркало. Такий метод працює лише для певних умов: деякі моди світла поглинаються, неодноразово потрапляючи на поглинаючу поверхню, але інше світло, наприклад, що входить у пристрій під іншим кутом падіння або має іншу довжину хвилі, виходить.

Штефана Роттер з Інституту фізики Віденського технічного університету та його колеги з Єврейського університету в Єрусалимі продемонстрували, що набагато ефективнішу світлову пастку можна створити, якщо помістити дві лінзи між двома дзеркалами. Лінзи призначені для спрямування світла так, щоб воно завжди потрапляло в одне й те саме місце на дзеркалі. Ефект інтерференції, який це створює, запобігає виходу світла через частково прозоре переднє дзеркало. Натомість воно поглинається системою. Роттер описує систему як зворотній лазер (time-reversed degenerate laser): замість того, щоб лазерне підсилювальне середовище перетворювало електричну енергію в когерентне світлове випромінювання, зворотній лазер поглинає когерентне світло і перетворює його в теплову енергію.

Переднє дзеркало в експериментальній установці дослідників мало коефіцієнт відбиття 70%, тоді як заднє дзеркало мало майже ідеальний коефіцієнт відбиття 99,9%. Як світлопоглинальне середовище вони використовували тонкий шматок затемненого скла з поглинанням близько 15%, а близько 85% світла через нього проходить. Проте в розробленому пристрої таке скло поглинє понад 94% усього світла, яке потрапляє в систему.

Для перевірки дослідники також випробували швидко мінливі, складні й випадкові світлові поля. Навіть для такого мінливого світла їхній когерентний ідеальний поглинач забезпечує майже ідеальне поглинання.

Пристрій має потенціал для багатьох застосувань, зокрема щодо збору та передачі оптичної енергії. Наприклад, його можна використовувати для заряджання акумуляторів дрона на великій відстані за допомогою лазерного променя.