科学家建造“光陷阱”：能在光合作用和光伏发电中完美吸收光线

导读：如果你想有效地利用光那么你必须尽可能地完全吸收它。

如果你想有效地利用光那么你必须尽可能地完全吸收它。在光合作用和光伏系统中都是如此。然而如果吸收是在通常让大部分光线通过的薄层材料中进行，这就是一件非常困难的事情了。

现在，研究人员发现了一个可以使一束光甚至在最薄的层中都能被完全吸收的技巧。他们利用镜子和透镜在薄层周围建造了一个“光陷阱”，在这个陷阱中，光束被引导成一个圆圈，然后叠加在自己身上--恰恰是以这样一种方式，光束阻挡了自己，无法再离开这个系统。因此，光没有其他选择，只能被薄层吸收--没有其他出路。

来自维也纳工业大学和耶路撒冷希伯来大学的研究小组将在《科学》上介绍了这种吸收-放大方法。这是两个团队之间富有成效的合作的结果。该方法由耶路撒冷希伯来大学的Ori Katz教授提出并跟维也纳理工大学的Stefan Rotter教授共同构思。实验是由耶路撒冷的实验室团队进行，理论计算则来自维也纳的团队。

薄层对光是透明的

来自维也纳工业大学理论物理研究所的Stefan Fotter教授说道：“当光照射到固体物体上时，吸收光很容易。一件厚厚的黑色羊毛衫可以轻易地吸收光线。但在许多技术应用中，你只有一层薄薄的材料可用，你希望光正好在这层中被吸收。”

已经有人尝试改善材料的吸收能力。如可以将材料放在两面镜子之间。光线在两面镜子之间来回反射，每次都会穿过材料，因此有更大的机会被吸收。然而为了这个目的，镜子必须不是完美的--其中一面必须是部分透明的，否则，光根本无法穿透两面镜子之间的区域。但这也意味着，每当光线照射到这个部分透明的镜子时，一些光线就会丢失。

光阻挡了自己

有可能以一种复杂的方式利用光的波的特性来防止这种情况的情况。耶路撒冷希伯来大学的Ori Katz教授表示：“在我们的方法中，我们能够通过波的干涉来取消所有的反向反射。”来自维也纳科技大学的Helmut Hörner指出：“在我们的方法中，光线也首先落在一个部分透明的镜子上。如果你简单地将一束激光发送到这面镜子上，那么它就会被分成两部分。大的部分被反射，小的部分穿透镜子。”

穿透镜子的这部分光束现在被送过吸收材料层，然后用透镜和另一面镜子返回到部分透明的镜子上。“最关键的是，这条路径的长度和光学元件的位置是以这样一种方式调整的，即返回的光束（及其在镜子之间的多次反射）正好抵消了直接在第一面镜子上反射的光束，”在耶路撒冷建造该系统的研究生Yevgeny Slobodkin和Gil Weinberg说道。

这两道部分光束以这样一种方式重叠，可以说是光阻挡了自己。尽管单独的部分透明镜实际上会反射很大一部分光线，但由于另一部分光束在返回部分透明镜之前穿过该系统，这种反射就变得不可能了。

因此，过去部分透明的镜子现在对入射的激光束来说变得完全透明。这实质上为光创造了一条单行道：光束可以进入系统，但由于反射部分和被引导通过系统的部分的叠加，它不能再逃脱。因此，光除了被吸收之外别无选择--整个激光束被一个薄层吞没，否则大部分光束就可以通过。

一个强大的现象

Stefan Rotter说道：“”系统必须精确地调谐到你想要吸收的波长。但除此之外，没有任何限制性要求。激光束不必有特定的形状，它可以在某些地方比其他地方更强烈--几乎完美的吸收总是可以实现。”

正如在耶路撒冷希伯来大学进行的实验中所证明的那样，甚至空气湍流和温度波动也不会损害该机制。这证明了它是一种强大的效应，从而有望得到广泛的应用--比如所提出的机制甚至可以很好地用于完美地捕捉在通过地球大气层传输时被扭曲的光信号。这种新方法还可以有很大的实际用途，可以将弱光源如遥远的恒星的光波最佳地送入探测器。