物理學(xué)家制造出完美的光阱

編譯 王曉濤

無論是光合作用還是光伏系統(tǒng)，如果想有效地利用光，就必須盡可能完全地吸收光線。然而，如果想讓吸收過程發(fā)生在通常可以讓大部分光通過的薄層材料中，恐怕就沒那么容易了。

現(xiàn)在，來自維也納技術(shù)大學(xué)和耶路撒冷希伯來大學(xué)的研究小組發(fā)現(xiàn)了一個令人驚訝的技巧，即使在最薄的薄層中，也可以借此完全吸收光束：他們使用鏡子在薄層周圍建立了一個“光阱”透鏡，使得光束被引導(dǎo)成一個圓圈，然后疊加于自身——正是以這樣一種方式，光束阻礙了自己的傳播，無法再離開系統(tǒng)。因此，光線別無選擇，只能被薄層吸收。

描述這種吸收-放大方法的文章現(xiàn)已在《科學(xué)》雜志上發(fā)表。這是兩個團(tuán)隊之間卓有成效的合作的結(jié)果：該方法由耶路撒冷希伯來大學(xué)的奧里?卡茨（Ori Katz）教授提出，并與維也納技術(shù)大學(xué)的斯特凡?羅特（Stefan Rotter）教授共同完善而成。該實驗由耶路撒冷的實驗室團(tuán)隊進(jìn)行，而理論計算工作則來自維也納的團(tuán)隊。

完全透光的薄層

維也納技術(shù)大學(xué)理論物理研究所的羅特教授說：“當(dāng)光線撞擊固體物體時，光線會很容易被吸收。一件厚厚的黑色羊毛套頭衫很容易吸收光線。但在許多技術(shù)應(yīng)用中，你只有薄層材料可用，而你會希望光線能完全被這一薄層吸收。”

已經(jīng)有人正在嘗試改善材料的吸收性。例如，我們可以將材料放置在兩個鏡子之間。光線在兩個鏡子之間來回反射，每次都能穿過材料，因此被吸收的機(jī)會更大。然而，這樣一來，其中一個平面鏡必須得是部分透明的，否則光線根本無法穿透兩個鏡子之間的區(qū)域。但這也意味著，每當(dāng)光線照射到這面部分透明的鏡子上時，就會丟失一些光線。

光線擋住了自己

為了阻止這種情況，可以通過更復(fù)雜的方法利用光的波動特性。“我們的方法可以通過波的干涉消除所有背向的反射。”耶路撒冷希伯來大學(xué)的卡茨教授說。維也納技術(shù)大學(xué)的赫爾穆特?霍納（Helmut H?rner）專門在論文中討論了這一方法，他解釋道：“在我們的方法中，光線也是先落在一面部分透明的鏡子上。如果你將激光束發(fā)射到這面鏡子上，它就會被分成兩部分：大部分被反射，小部分則穿透鏡子。”

穿透鏡子的這部分光束通過了吸收材料層，然后返回到帶有透鏡的部分透明的平面鏡以及另一個鏡子的表面。“關(guān)鍵步驟是調(diào)整這條路徑的長度和光學(xué)元件的位置，以使返回的光束（及其在鏡子之間的多次反射后的光線）準(zhǔn)確地抵消直接在第一面鏡子上反射的光束。”耶路撒冷希伯來大學(xué)的研究生葉夫根尼?斯洛博德金（Yevgeny Slobodkin）和吉爾?溫伯格（Gil Weinberg）說。

兩部分光束以這樣的方式重疊，可以說是光阻擋了自己：雖然單獨的部分透明鏡實際上會反射大部分光，但由于光束的另一部分在之前穿過了反射鏡，這種反射便不會存在。

因此，曾是部分透明的鏡子現(xiàn)在對入射激光束而言變得完全透明。這為光創(chuàng)造了一條單向的通道：光束可以進(jìn)入系統(tǒng)，但由于反射部分和引導(dǎo)通過系統(tǒng)的部分的疊加，光線無法再逃逸。所以光別無選擇，只會被吸收——整個激光束被一片薄層吞噬。

一個穩(wěn)定存在的現(xiàn)象

“期望吸收的波長必須通過精確的調(diào)整才能得到，” 羅特教授說，“但除此之外，沒有別的限制要求。激光束不必具有特定的形狀，它可以在某些地方更強烈一些——但我們總是可以實現(xiàn)幾乎完美的激光吸收。”

正如在耶路撒冷希伯來大學(xué)進(jìn)行的實驗所展示的那樣，即使是空氣湍流和溫度波動也不會破壞這一現(xiàn)象。這證明它是一種強大的效應(yīng)，并且有望得到廣泛的應(yīng)用——例如，這一機(jī)制甚至可以非常完美地捕捉地球大氣層傳輸過程中失真的光信號。這種新方法對于將來自弱光源（例如遙遠(yuǎn)的恒星）的光波無損反饋到探測器的過程也有很大的實際用途。

資料來源 Phys.org