Manipulerer lys inde i uigennemsigtige lag

Lys, der forplanter sig i et lag af spredte nanopartikler, viser princippet om diffusion - som tepartikler i varmt vand. Det dybere lys trænger ind i laget, jo lavere energitæthed. Forskere fra University of Twente's Complex Photonics Group, imidlertid, formår at vende denne faldende diffusionskurve til en stigende, ved at manipulere det indfaldende lys. Mere lysenergi inde i et uigennemsigtigt lag, er resultatet, hvilket kunne føre til solceller eller LED'er med bedre udbytte. Resultaterne offentliggøres i New Journal of Physics .

Selv i et medie præget af tilfældighed, som en samling af ikke-organiserede partikler, der alle spreder lys, nettospredningen af ​​lys er ensartet. Dette er typisk for diffusion, et fænomen, fysikere som Albert Einstein og Adolf Fick allerede var interesseret i. Vi kan observere det overalt omkring os.

Tilfældigheden i UT-forsøgene består af et lag hvid maling. Lys, der falder på samlingen af ​​zinkoxidpartikler, malingen er lavet af, vil blive spredt af partiklerne. Det vil begynde at forstyrre lyset, spredt fra nabopartikler. Alligevel, det vil sprede sig på en ensartet måde. Teoretisk set, energitætheden vil vise et lineært fald med indtrængningsdybde. Forskerne fra Complex Photonics Group (MESA+ Institute for Nanotechnology) tog ikke dette for givet og arbejdede på en måde at vende den faldende kurve til en stigende, dermed øge energiniveauet inde i laget. Efter den fundamentale diffusionskurve, energitætheden stiger indtil halvdelen af ​​laget og falder derefter af.

Men hvordan gør man det uden at ændre laget? Og hvordan ser man inde i det uigennemsigtige lag for at tjekke, om det virker? Først og fremmest, videnskabsmændene ændrer ikke laget, men lyset. Deres 'wave front shaping'-teknik, der blev udviklet tidligere, lader vejen være åben for at programmere lysbølgerne på en sådan måde, at de vælger de bedste veje og viser en skarp lysplet på bagsiden af ​​laget. Denne teknik er også velegnet til aktiv kontrol af diffusionsprocessen. Men hvordan beviser man, at lys bevæger sig i henhold til den ønskede kurve? Forskerne blander malingpartiklerne med fluorescerende kugler i nanostørrelse, der fungerer som reportere inde i laget. De lokale energiniveauer inde i laget er vist ved de fluorescerende kugler, der udsender lys, med et meget følsomt kamera på bagsiden af ​​laget, der måler den samlede fluorescerende intensitet.

De målte energiniveauer stemmer meget overens med den forbedrede diffusionskurve. Dermed, betydeligt mere lysenergi kan indføres i et spredningsmedium. I solceller, mere lys ville være tilgængeligt til omdannelsen til elektrisk energi. Hvide lysdioder kan gøres mere omkostningseffektive, og bedre lasere med et højt udbytte kan udvikles. I medicinske applikationer, bedre kontrol med belysningen af ​​væv er mulig. Først og fremmest, forskerne beviser, at det er muligt at 'narre' lys inde i komplekse medier, hvilket er noget af en udfordring.