Если ограничиться бытовыми нуждами, то световые волны можно описать, использовав всего три характеристики: длина (то, что мы воспринимаем как цвет), поляризация (тоже воспринимается глазом) и направление. Фильтровать световой поток по первой характеристике мы научились давно, ещё в детскому саду, глядя на солнце через бутылочное стекло. Поляризационные фильтры тоже появились не вчера, и польза и от первого, и от второго умения вполне очевидна: устройств, эксплуатирующих такую фильтрацию, не счесть.
А вот с третьей характеристикой пока не сложилось. Избирательность на основе направления распространения световой волны до сих пор была весьма сложна для реализации.
Для света, входящего с одного направления, многослойная пластина остаётся, по сути, отражающей, в то время как другой луч спокойно проникает через фильтр. (Фото Weishun Xu, Yuhao Zhang.)
Группа исследователей во главе с Ичэнь Шэнем (Yichen Shen) из Массачусетского технологического института (США) взялась решить эту проблему с использованием довольно простых средств.
Устройство состоит из стопки ультратонких слоёв двух чередуемых материалов. На границе между ними при прохождении света неизбежно возникают отражения. Но если эти поверхности установить друг по отношению к другу под углом Брюстера (он же — угол полной поляризации), то никакого отражения не возникнет. Те же световые волны, которые попадут в этот сэндвич не под углом Брюстера, а под любым другим, в каждом из слоёв будут хотя и слабо, но отражаться.
А поскольку слоёв довольно много, основная часть входящего света будет отражена, за исключением того, что имеет точно тот угол падения и ровно ту поляризацию, на которую и рассчитан сей многослойный фильтр.
Применив 80 слоёв, группа г-на Шэня смогла добиться фильтрации света под «неправильными» углами почти во всём видимом диапазоне. Более того, сама степень избирательности по углу падения легко настраивается числом используемых слоёв. Всё это открывает такому устройству чрезвычайно широкое поле деятельности.
Первыми приходят в голову активно развивающиеся в последнее время термофотоэлементы. В таких материалах солнечное излучение сначала поглощается внешним слоем панели, а затем переизлучается в виде волн определённой длины в направлении специализированного фотоэлемента. Делается это для того, чтобы лучи, кои солнце испускает с разными длинами световых волн, передавались полупроводнику, «заточенному» под одну специфическую длину, и тем самым преобразовывались бы им в электричество с более высоким КПД.
Но чтобы этот подход сработал, надо уметь контролировать и количество излучаемого в определённом направлении тепла (иначе фотоэлемент не сможет эффективно использовать получаемую энергию), и переизлучение. Фильтр, умеющий обходиться с направлением распространения вторичного излучения термофотоэлементов, может послужить ключом к успеху в этой области.
Другими полезными направлениями в использовании новых фильтров могут стать оптическая микроскопия и даже астрономия. И там и там часто нужно увидеть тусклый объект рядом с более ярким, «затмевающим» скромного соседа. Применив систему, которая впускает только свет, входящий с определённого угла, такие устройства улучшат шансы при поиске планет рядом с другими звёздами.
Как замечают разработчики, хотя их устройство построено на перемежающихся слоях стекла и оксида тантала, в принципе, в нём можно использовать почти любую пару сравнительно прозрачных материалов, в том числе весьма недорогих.
Отчёт об исследовании вскоре будет опубликован в журнале Science.
По материалам MIT News.
Источник: compulenta.computerra.ru
