物理学家制造出完美的光阱

编译 王晓涛

无论是光合作用还是光伏系统，如果想有效地利用光，就必须尽可能完全地吸收光线。然而，如果想让吸收过程发生在通常可以让大部分光通过的薄层材料中，恐怕就没那么容易了。

现在，来自维也纳技术大学和耶路撒冷希伯来大学的研究小组发现了一个令人惊讶的技巧，即使在最薄的薄层中，也可以借此完全吸收光束：他们使用镜子在薄层周围建立了一个“光阱”透镜，使得光束被引导成一个圆圈，然后叠加于自身——正是以这样一种方式，光束阻碍了自己的传播，无法再离开系统。因此，光线别无选择，只能被薄层吸收。

描述这种吸收-放大方法的文章现已在《科学》杂志上发表。这是两个团队之间卓有成效的合作的结果：该方法由耶路撒冷希伯来大学的奥里•卡茨（Ori Katz）教授提出，并与维也纳技术大学的斯特凡•罗特（Stefan Rotter）教授共同完善而成。该实验由耶路撒冷的实验室团队进行，而理论计算工作则来自维也纳的团队。

完全透光的薄层

维也纳技术大学理论物理研究所的罗特教授说：“当光线撞击固体物体时，光线会很容易被吸收。一件厚厚的黑色羊毛套头衫很容易吸收光线。但在许多技术应用中，你只有薄层材料可用，而你会希望光线能完全被这一薄层吸收。”

已经有人正在尝试改善材料的吸收性。例如，我们可以将材料放置在两个镜子之间。光线在两个镜子之间来回反射，每次都能穿过材料，因此被吸收的机会更大。然而，这样一来，其中一个平面镜必须得是部分透明的，否则光线根本无法穿透两个镜子之间的区域。但这也意味着，每当光线照射到这面部分透明的镜子上时，就会丢失一些光线。

光线挡住了自己

为了阻止这种情况，可以通过更复杂的方法利用光的波动特性。“我们的方法可以通过波的干涉消除所有背向的反射。”耶路撒冷希伯来大学的卡茨教授说。维也纳技术大学的赫尔穆特•霍纳（Helmut Hörner）专门在论文中讨论了这一方法，他解释道：“在我们的方法中，光线也是先落在一面部分透明的镜子上。如果你将激光束发射到这面镜子上，它就会被分成两部分：大部分被反射，小部分则穿透镜子。”

穿透镜子的这部分光束通过了吸收材料层，然后返回到带有透镜的部分透明的平面镜以及另一个镜子的表面。“关键步骤是调整这条路径的长度和光学元件的位置，以使返回的光束（及其在镜子之间的多次反射后的光线）准确地抵消直接在第一面镜子上反射的光束。”耶路撒冷希伯来大学的研究生叶夫根尼•斯洛博德金（Yevgeny Slobodkin）和吉尔•温伯格（Gil Weinberg）说。

两部分光束以这样的方式重叠，可以说是光阻挡了自己：虽然单独的部分透明镜实际上会反射大部分光，但由于光束的另一部分在之前穿过了反射镜，这种反射便不会存在。

因此，曾是部分透明的镜子现在对入射激光束而言变得完全透明。这为光创造了一条单向的通道：光束可以进入系统，但由于反射部分和引导通过系统的部分的叠加，光线无法再逃逸。所以光别无选择，只会被吸收——整个激光束被一片薄层吞噬。

一个稳定存在的现象

“期望吸收的波长必须通过精确的调整才能得到，” 罗特教授说，“但除此之外，没有别的限制要求。激光束不必具有特定的形状，它可以在某些地方更强烈一些——但我们总是可以实现几乎完美的激光吸收。”

正如在耶路撒冷希伯来大学进行的实验所展示的那样，即使是空气湍流和温度波动也不会破坏这一现象。这证明它是一种强大的效应，并且有望得到广泛的应用——例如，这一机制甚至可以非常完美地捕捉地球大气层传输过程中失真的光信号。这种新方法对于将来自弱光源（例如遥远的恒星）的光波无损反馈到探测器的过程也有很大的实际用途。

资料来源 Phys.org