物理學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?？梢宰尨蟛糠止馔ㄟ^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)大學和耶路撒冷希伯來大學的研究小組發(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》雜志上發(fā)表。這是兩個團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的奧里?卡茨（Ori Katz）教授提出，并與維也納技術(shù)大學的斯特凡?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隊進行，而理論計算工作則來自維也納的團隊。

完全透光的薄層

維也納技術(shù)大學理論物理研究所的羅特教授說：“當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?！?/p>

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?！拔覀兊姆椒梢酝ㄟ^波的干涉消除所有背向的反射?！币啡隼湎２畞泶髮W的卡茨教授說。維也納技術(shù)大學的赫爾穆特?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?！?/p>

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?！瓣P(guān)鍵步驟是調(diào)整這條路徑的長度和光學元件的位置，以使返回的光束（及其在鏡子之間的多次反射后的光線）準確地抵消直接在第一面鏡子上反射的光束?！币啡隼湎２畞泶髮W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?！?/p>

正如在耶路撒冷希伯來大學進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