Værd at Vide: Perfekt opsamling af lys med en 'omvendt' laser
Fotosyntese og solceller er eksempler på systemer baseret på absorption af lys. I de fleste tilfælde vil en del af lyset, der rammer et objekt, enten blive reflekteret eller passere lige igennem og så at sige gå til spilde, hvis det er en effektiv lysopsamling, man er ude på. Systemer, som kun svagt absorberer lys, kan dog sagtens opfange alt indfaldende lys, hvis bare de er tykke eller dybe nok. På dybhavets bund er der buldermørke til trods for, at vand betragtes som et transparent medie. Ny forskning viser, at med lidt hjælp kan selv tynde og svagt absorberende medier også virke som effektive lysopsamlere.
En simpel løsning på en effektiv lysopsamler er en slags omvendt laser. I en laser er en forstærker for lys placeret mellem to spejle, hvoraf det ene reflekterer lyset 100 pct., men det andet lader en mindre mængde passere ud af kaviteten, som de to spejle danner. Reflektionerne frem og tilbage mellem spejlene og konstruktiv interferens, der opstår under den gentagne passage gennem forstærkeren, betyder, at laseren vil udsende lys med høj effekt med en eller flere bestemte bølgelængder. Det er et faktum, at ethvert system, der kan udsende lys, let kan omdannes til et system, der kan absorbere lys. I elektrodynamiske effekter er det nemlig muligt så at sige at vende tiden og stadig have et gyldigt fysisk system. Det svarer fuldstændigt til, at i stedet for at se på udsendt lys fra kavitet med en forstærker, ser vi på indfaldende lys mod en kavitet med en absorber. Problemet med denne løsning er dog, at den kun fungerer for lys med en bestemt form eller bølgefront. Faldet lyset eksempelvis ind på kaviteten under forskellige vinkler, vil ikke alt lyset blive absorberet. Så den simple 'omvendte' laser er ikke hele løsningen.
Forskere fra Hebrew University of Jerusalem i Israel og Technische Universität Wien i Østrig beskriver i Science en simpel og elegant løsning på det problem, så de kan absorbere alle former for indfaldende lys, uanset hvilken retning eller form bølgefronten har. De placerer som i det simple system en tynd, svag absorber mellem to reflekterende plane spejle, hvor det ene reflekterer 100 pct. (i praksis måske kun 99,9 pct.). og det andet omkring 70 pct. I det indre af denne kavitet placerer de to linser, som vist på illustrationen i toppen af denne artikel.
Herved opnår de at få et såkaldt degenereret system, hvor lyset, der er fanget mellem spejlene, altid vil ramme de samme steder på spejlene uanset den form, hvorunder de slipper ind i systemet. I fagtermer har de konstrueret en ‘massively degenerate coherent perfect absorber for arbitrary wavefronts’ - hvad der også er titlen på deres videnskabelige artikel.
Uanset hvilken form for lys, der falder ind mod systemet, vil der i denne være en destruktiv interferens, så den mængde lys, der slipper ud af det venstre plane spejl, helt præcis vil udslukke det lys, som reflekteres fra samme spejl - så der samlet set intet lys reflekteres. Lys har med andre ord kun en vej ind i systemet, men ingen vej ud, og det tvinges dermed under de gentagne passager frem og tilbage inde i systemet til at blive opsamlet i den tynde absorber. Det eneste krav er, at systemet skal tunes præcis til den bølgelængde af lyset, man vil opfange - det gøres ved at regulere på afstandene mellem spejlene. Man kan ikke opfange forskellige bølgelængder med samme system.
De indledende eksperimenter med et sådant system viser tilmed, at det er robust over for turbulens og temperaturvariationer og mindre fabrikationsfejl i linser og spejle, som eller normalt kan være ødelæggende, når man at gøre med systemer baseret på interferens. Forskerne peger selv på, at det betyder, at metoden eksempelvis kan tænkes at blive brugt i forbindelse med opsamling af svagt lys fra astronomiske objekter, der kan blive forstyrret af passage gennem Jordens atmosfære.
