編譯 王曉濤

無(wú)論是光合作用還是光伏系統(tǒng)，如果想有效地利用光，就必須盡可能完全地吸收光線。然而，如果想讓吸收過(guò)程發(fā)生在通常可以讓大部分光通過(guò)的薄層材料中，恐怕就沒那么容易了。

現(xiàn)在，來(lái)自維也納技術(shù)大學(xué)和耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)的研究小組發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人驚訝的技巧，即使在最薄的薄層中，也可以借此完全吸收光束：他們使用鏡子在薄層周圍建立了一個(gè)“光阱”透鏡，使得光束被引導(dǎo)成一個(gè)圓圈，然后疊加于自身——正是以這樣一種方式，光束阻礙了自己的傳播，無(wú)法再離開系統(tǒng)。因此，光線別無(wú)選擇，只能被薄層吸收。

描述這種吸收-放大方法的文章現(xiàn)已在《科學(xué)》雜志上發(fā)表。這是兩個(gè)團(tuán)隊(duì)之間卓有成效的合作的結(jié)果：該方法由耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)的奧里?卡茨（Ori Katz）教授提出，并與維也納技術(shù)大學(xué)的斯特凡?羅特（Stefan Rotter）教授共同完善而成。該實(shí)驗(yàn)由耶路撒冷的實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)進(jìn)行，而理論計(jì)算工作則來(lái)自維也納的團(tuán)隊(duì)。

完全透光的薄層

維也納技術(shù)大學(xué)理論物理研究所的羅特教授說(shuō)：“當(dāng)光線撞擊固體物體時(shí)，光線會(huì)很容易被吸收。一件厚厚的黑色羊毛套頭衫很容易吸收光線。但在許多技術(shù)應(yīng)用中，你只有薄層材料可用，而你會(huì)希望光線能完全被這一薄層吸收。”

已經(jīng)有人正在嘗試改善材料的吸收性。例如，我們可以將材料放置在兩個(gè)鏡子之間。光線在兩個(gè)鏡子之間來(lái)回反射，每次都能穿過(guò)材料，因此被吸收的機(jī)會(huì)更大。然而，這樣一來(lái)，其中一個(gè)平面鏡必須得是部分透明的，否則光線根本無(wú)法穿透兩個(gè)鏡子之間的區(qū)域。但這也意味著，每當(dāng)光線照射到這面部分透明的鏡子上時(shí)，就會(huì)丟失一些光線。

光線擋住了自己

為了阻止這種情況，可以通過(guò)更復(fù)雜的方法利用光的波動(dòng)特性?！拔覀兊姆椒梢酝ㄟ^(guò)波的干涉消除所有背向的反射?！币啡隼湎２畞?lái)大學(xué)的卡茨教授說(shuō)。維也納技術(shù)大學(xué)的赫爾穆特?霍納（Helmut H?rner）專門在論文中討論了這一方法，他解釋道：“在我們的方法中，光線也是先落在一面部分透明的鏡子上。如果你將激光束發(fā)射到這面鏡子上，它就會(huì)被分成兩部分：大部分被反射，小部分則穿透鏡子?！?/p>

穿透鏡子的這部分光束通過(guò)了吸收材料層，然后返回到帶有透鏡的部分透明的平面鏡以及另一個(gè)鏡子的表面。“關(guān)鍵步驟是調(diào)整這條路徑的長(zhǎng)度和光學(xué)元件的位置，以使返回的光束（及其在鏡子之間的多次反射后的光線）準(zhǔn)確地抵消直接在第一面鏡子上反射的光束。”耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)的研究生葉夫根尼?斯洛博德金（Yevgeny Slobodkin）和吉爾?溫伯格（Gil Weinberg）說(shuō)。

兩部分光束以這樣的方式重疊，可以說(shuō)是光阻擋了自己：雖然單獨(dú)的部分透明鏡實(shí)際上會(huì)反射大部分光，但由于光束的另一部分在之前穿過(guò)了反射鏡，這種反射便不會(huì)存在。

因此，曾是部分透明的鏡子現(xiàn)在對(duì)入射激光束而言變得完全透明。這為光創(chuàng)造了一條單向的通道：光束可以進(jìn)入系統(tǒng)，但由于反射部分和引導(dǎo)通過(guò)系統(tǒng)的部分的疊加，光線無(wú)法再逃逸。所以光別無(wú)選擇，只會(huì)被吸收——整個(gè)激光束被一片薄層吞噬。

一個(gè)穩(wěn)定存在的現(xiàn)象

“期望吸收的波長(zhǎng)必須通過(guò)精確的調(diào)整才能得到，” 羅特教授說(shuō)，“但除此之外，沒有別的限制要求。激光束不必具有特定的形狀，它可以在某些地方更強(qiáng)烈一些——但我們總是可以實(shí)現(xiàn)幾乎完美的激光吸收?！?/p>

正如在耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)所展示的那樣，即使是空氣湍流和溫度波動(dòng)也不會(huì)破壞這一現(xiàn)象。這證明它是一種強(qiáng)大的效應(yīng)，并且有望得到廣泛的應(yīng)用——例如，這一機(jī)制甚至可以非常完美地捕捉地球大氣層傳輸過(guò)程中失真的光信號(hào)。這種新方法對(duì)于將來(lái)自弱光源（例如遙遠(yuǎn)的恒星）的光波無(wú)損反饋到探測(cè)器的過(guò)程也有很大的實(shí)際用途。

資料來(lái)源 Phys.org