Kontrol af fotonens energitæthed i uigennemsigtige materialer

Ligesom lystige mennesker til en fest, fotoner udfører tilfældige gåture gennem hvid maling; men deres tæthed forblev ude af kontrol. For nylig, forskere ved University of Twente i Holland har formået at kontrollere fotonens energitæthed inde i uigennemsigtige materialer som hvid maling.

Ved at kombinere isolerede fluorescerende nanosfærer inde i den hvide maling som "journalister" med avanceret bølgefrontformning af indfaldende lys, forskerne observerer, at energitætheden af ​​fotoner i malingen er stærkt forbedret, i glimrende overensstemmelse med en ny teori.

Resultaterne finder anvendelser inden for belysning, solceller, biomedicinsk optik og tilfældige lasere, og er offentliggjort i juli i Optical Society's (OSA) højtydende tidsskrift Optica i et papir med titlen "3D-rumligt opløst optisk energitæthed forbedret ved bølgefrontformning."

Når en konstant strøm af fotoner i en laserstråle skinner på et uigennemsigtigt materiale, såsom hvid maling, pulver, sne, eller biologisk væv, de tilfældigt arrangerede partikler i materialet spreder fotonerne tilfældigt. Inde i materialet, fotoner udfører en tilfældig gåtur, ligner en lystig, lidt beruset, person, der forsøger at nå den anden side af festen.

Derfor, kun få fotoner transmitteres gennem det uigennemsigtige materiale, og det meste indfaldende lys reflekteres. Dette er grunden til, at sneen er lys hvid:de fleste fotoner, der henter fra solen, reflekteres.

Fotonerne, der udfører tilfældige gåture inde i den hvide maling, har en temmelig lav densitet, der jævnt falder fra maksimum nær frontoverfladen mod bagfladen. For at opnå effektiv energiomdannelse til applikationer som solid-state belysning, solceller, biomedicinsk optik, og tilfældige lasere, imidlertid, så mange som muligt fotoner bør gå til målrettede steder dybt inde i et spredningsmedium, med andre ord:"så mange glade mennesker som muligt skulle samles på feststedet."

Uden detaljeret kendskab til den meget komplekse tredimensionelle (3-D) struktur af den hvide maling, det synes umuligt at kontrollere 3D-densiteten af ​​fotoner inde i materialet. Imidlertid, Twente-teamet har med succes løst dette problem ved at anvende nyligt udviklede avancerede metoder, hvor bølgefronten af ​​det indfaldende lys er rumligt formet, se figur 1.

Twente -metoden bygger på erkendelsen af, at et spredningsmedium har tusindvis af transmitterende kanaler. Bemærkelsesværdigt, højtransmitterende kanaler findes blandt alle kanaler. Lys er selektivt koblet til de stærkt transmitterende kanaler, når der optimeres fokus på malingens bagflade ved rumligt at forme bølgefronten for indfaldende lys.

Mens input-output forholdet af lys let kan detekteres, den interne optiske energitæthed er stadig ukendt. Prof. Willem Vos forklarer:"Populært sagt, vi havde allerede mistanke om, at vi kunne overbevise mange glade mennesker (fotoner) til at deltage i en fest inde i den hvide maling. Men vi vidste endnu ikke, hvordan festen så ud, fordi du ikke kan se ind i et uigennemsigtigt materiale. Og vi vidste heller ikke, hvor mange der kunne være med.«

For at løse dette problem, Twente -teamet anvender isolerede fluorescerende nanosfærer spredt i den hvide maling som rapporteringspartikler. Den tredimensionelle (x, y, z) -position af hver nanopartikel opnås gennem det fluorescerende intensitetsmønster på bagsiden. Samtidigt, energitæthedsforøgelsen afsløres ved at scanne forstærkningen af ​​den totale fluorescerende intensitet.

Med kun en enkelt lille nanosfære ad gangen, Twente-teamet måtte foretage møjsommelige lange observationer for at indsamle tilstrækkelig fluorescens. Endelig, en stærk positionsafhængig energitæthedsforbedring blev observeret, der viser sig at stemme meget godt overens med en nyudviklet teori. Holdet formåede ikke kun at observere energiforbedring i forhold til dybde - som vist i figur 2 - men også i forhold til sidelæns position.

Vos siger, "Disse resultater er gode nyheder for mange applikationer i forbindelse med konvertering af optisk energi i hvidt-maling-lignende uigennemsigtige materialer. Vi har nu et værktøj til bogstaveligt talt at" røre "lys gennem hvid maling for at ende på de ønskede steder. F.eks. vi kan nu kontrollere hvidheden af ​​en hvid LED, ved at optimere til varmt eller koldt hvidt lys. Og dette modtages med stor interesse af vores kolleger i lysindustrien. "