Des physiciens développent un piège à lumière parfait

Des physiciens développent un piège à lumière parfait

La configuration “piège à lumière” est représentée, consistant en un miroir partiellement transparent, un absorbeur mince et faible, deux lentilles convergentes et un miroir entièrement réfléchissant. Normalement, la majeure partie du faisceau lumineux incident serait réfléchie. Cependant, en raison d’effets d’interférence calculés avec précision, le faisceau lumineux incident interfère avec le faisceau lumineux réfléchi entre les miroirs, de sorte que le faisceau lumineux réfléchi est finalement complètement éteint. L’énergie lumineuse est complètement absorbée par l’absorbeur mince et faible. Crédit : Université technique de Vienne

Que ce soit dans la photosynthèse ou dans un système photovoltaïque : Si vous voulez utiliser efficacement la lumière, vous devez l’absorber aussi complètement que possible. Cependant, cela est difficile si l’absorption doit se produire dans une fine couche de matériau qui laisse normalement passer une grande partie de la lumière.

Désormais, des équipes de recherche de la TU Wien et de l’Université hébraïque de Jérusalem ont trouvé une astuce surprenante qui permet à un faisceau lumineux d’être complètement absorbé même dans les couches les plus fines : ils ont construit un « piège à lumière » autour de la couche mince à l’aide de miroirs et de lentilles, dans lequel le faisceau lumineux est dirigé en cercle puis se chevauche, exactement de telle sorte que le faisceau lumineux est bloqué et ne peut plus quitter le système. Par conséquent, la lumière n’a d’autre choix que d’être absorbée par la fine couche, il n’y a pas d’autre issue.

Cette méthode d’absorption-amplification, aujourd’hui présentée dans la revue scientifique les sciences, est le résultat d’une collaboration fructueuse entre les deux équipes : l’approche a été suggérée par le professeur Ori Katz de l’Université hébraïque de Jérusalem et conceptualisée avec le professeur Stefan Rotter de la TU Wien ; l’expérience a été réalisée par l’équipe du laboratoire de Jérusalem et les calculs théoriques provenaient de l’équipe de Vienne.

Les couches minces sont transparentes à la lumière.

“Il est facile d’absorber la lumière lorsqu’elle frappe un objet solide”, explique le professeur Stefan Rotter de l’Institut de physique théorique de la TU Wien. “Un pull en laine noire épaisse peut facilement absorber la lumière. Mais dans de nombreuses applications techniques, vous ne disposez que d’une fine couche de matériau et vous voulez que la lumière absorbe exactement dans cette couche.”

On a déjà tenté d’améliorer l’absorption des matériaux : par exemple, le matériau peut être placé entre deux miroirs. La lumière est réfléchie dans les deux sens entre les deux miroirs, traversant à chaque fois le matériau et ayant ainsi plus de chance d’être absorbée. Cependant, pour cela, les miroirs ne doivent pas être parfaits, l’un d’eux doit être partiellement transparent, sinon la lumière ne peut pas du tout pénétrer dans la zone entre les deux miroirs. Mais cela signifie également que chaque fois que la lumière frappe ce miroir partiellement transparent, une partie de la lumière est perdue.

La lumière se bloque

Pour éviter cela, il est possible d’utiliser les propriétés ondulatoires de la lumière de manière sophistiquée. “Dans notre approche, nous pouvons annuler toutes les rétroréflexions par interférence d’ondes”, explique le professeur Ori Katz de l’Université hébraïque de Jérusalem. Helmut Hörner de la TU Wien, qui a consacré sa thèse à ce sujet, explique : « Toujours dans notre méthode, la lumière tombe d’abord sur un miroir partiellement transparent. Si vous envoyez simplement un faisceau laser dans ce miroir, il se divise en deux parties : le une plus grande partie est réfléchie, une plus petite partie pénètre dans le miroir”.

Cette partie du faisceau lumineux qui pénètre dans le miroir est maintenant envoyée à travers la couche de matériau absorbant puis renvoyée vers le miroir partiellement transparent avec des lentilles et un autre miroir. “L’essentiel est que la longueur de ce trajet et la position des éléments optiques soient ajustées de manière à ce que le faisceau lumineux renvoyé (et ses réflexions multiples entre les miroirs) annule exactement le faisceau lumineux réfléchi directement dans le premier miroir. . » disent Yevgeny Slobodkin et Gil Weinberg, les étudiants diplômés qui ont construit le système à Jérusalem.

Les deux faisceaux partiels se chevauchent de telle sorte que la lumière se bloque, pour ainsi dire : alors que le miroir partiellement transparent réfléchirait à lui seul une grande partie de la lumière, cette réflexion est impossible car l’autre partie du faisceau traverse le miroir. système avant de revenir au miroir partiellement transparent.

Ainsi, le miroir, qui était auparavant partiellement transparent, devient maintenant complètement transparent au faisceau laser incident. Cela crée une rue à sens unique pour la lumière : le faisceau lumineux peut entrer dans le système, mais ne peut plus s’échapper en raison du chevauchement de la partie réfléchie et de la partie guidée à travers le système en cercle. La lumière n’a donc d’autre choix que d’être absorbée : tout le faisceau laser est absorbé par une fine couche qui autrement laisserait passer la majeure partie du faisceau.

Un phénomène robuste

“Le système doit être réglé exactement sur la longueur d’onde que vous souhaitez absorber”, explique Stefan Rotter. “Mais à part cela, il n’y a pas d’exigences limitatives. Le faisceau laser n’a pas besoin d’avoir une forme spécifique, il peut être plus intense à certains endroits qu’à d’autres – une absorption presque parfaite est toujours obtenue.”

Même les turbulences de l’air et les fluctuations de température ne peuvent pas endommager le mécanisme, comme l’ont montré des expériences menées à l’Université hébraïque de Jérusalem. Cela montre qu’il s’agit d’un effet robuste qui promet un large éventail d’applications ; par exemple, le mécanisme présenté pourrait même convenir pour capter parfaitement des signaux lumineux déformés lors de leur transmission à travers l’atmosphère terrestre. La nouvelle approche pourrait également être d’une grande utilité pratique pour alimenter de manière optimale les ondes lumineuses provenant de sources lumineuses faibles (telles que des étoiles lointaines) vers un détecteur.


De quelle couleur est un miroir ? Expliquer les miroirs et leur fonctionnement.


Plus d’informations:
Yevgeny Slobodkin et al, Absorbeur parfait cohérent massivement dégénéré pour les fronts d’onde arbitraires, les sciences (2022). DOI : 10.1126/science.abq8103. www.science.org/doi/10.1126/science.abq8103

Fourni par l’Université de technologie de Vienne

Citation: Physicists Develop Perfect Light Trap (25 août 2022) Extrait le 26 août 2022 de https://phys.org/news/2022-08-physicists.html

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