Ob in der Photosynthese oder in einer Photovoltaikanlage: Wer Licht effizient nutzen will, muss es möglichst vollständig absorbieren. Dies ist jedoch schwierig, wenn die Absorption in einer dünnen Materialschicht erfolgen soll, die normalerweise einen großen Teil des Lichts durchlässt.
Nun haben Forscherteams der TU Wien und der Hebräischen Universität Jerusalem einen überraschenden Trick gefunden, der es ermöglicht, einen Lichtstrahl auch in dünnsten Schichten vollständig zu absorbieren: Sie bauten mit Spiegeln eine „Lichtfalle“ um die dünne Schicht herum Linsen, bei denen der Lichtstrahl kreisförmig gelenkt und dann mit sich selbst überlagert wird – genau so, dass der Lichtstrahl sich selbst blockiert und das System nicht mehr verlassen kann. Dem Licht bleibt also nichts anderes übrig, als von der dünnen Schicht absorbiert zu werden – es gibt keinen anderen Ausweg.
Diese Absorptions-Amplifikations-Methode wurde nun in der Fachzeitschrift vorgestellt Wissenschaft, ist das Ergebnis einer fruchtbaren Zusammenarbeit zwischen den beiden Teams: Der Ansatz wurde von Prof. Ori Katz von der Hebrew University of Jerusalem vorgeschlagen und mit Prof. Stefan Rotter von der TU Wien konzipiert; das Experiment wurde vom Laborteam in Jerusalem durchgeführt und die theoretischen Berechnungen kamen vom Team in Wien.
Dünne Schichten sind lichtdurchlässig
„Licht zu absorbieren ist einfach, wenn es auf einen festen Gegenstand trifft“, sagt Prof. Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Ein dicker schwarzer Wollpullover kann leicht Licht absorbieren. Aber bei vielen technischen Anwendungen hat man nur eine dünne Materialschicht zur Verfügung und möchte, dass das Licht genau in dieser Schicht absorbiert wird.“
Es gab bereits Versuche, die Absorption von Materialien zu verbessern: Beispielsweise kann das Material zwischen zwei Spiegeln platziert werden. Das Licht wird zwischen den beiden Spiegeln hin und her reflektiert, durchdringt jedes Mal das Material und hat so eine größere Chance, absorbiert zu werden. Dazu müssen die Spiegel allerdings nicht perfekt sein – einer davon muss teildurchlässig sein, sonst kann das Licht überhaupt nicht in den Bereich zwischen den beiden Spiegeln eindringen. Das bedeutet aber auch, dass immer dann, wenn das Licht auf diesen teildurchlässigen Spiegel trifft, ein Teil des Lichts verloren geht.
Das Licht blockiert sich selbst
Um dies zu verhindern, ist es möglich, die Welleneigenschaften des Lichts raffiniert zu nutzen. „Bei unserem Ansatz sind wir in der Lage, alle Rückreflexionen durch Welleninterferenz aufzuheben“, sagt Prof. Ori Katz von der Hebräischen Universität Jerusalem. Helmut Hörner von der TU Wien, der diesem Thema seine Diplomarbeit gewidmet hat, erklärt: „Auch bei unserer Methode fällt das Licht zunächst auf einen teildurchlässigen Spiegel. Schickt man einfach einen Laserstrahl auf diesen Spiegel, wird er zweigeteilt Teile: Der größere Teil wird reflektiert, ein kleinerer Teil durchdringt den Spiegel.“
Dieser Teil des Lichtstrahls, der den Spiegel durchdringt, wird nun durch die absorbierende Materialschicht geschickt und dann zum teildurchlässigen Spiegel mit Linsen und einem weiteren Spiegel zurückgeführt. „Entscheidend ist, dass die Länge dieses Weges und die Position der optischen Elemente so eingestellt sind, dass der zurückkommende Lichtstrahl (und seine Mehrfachreflexionen zwischen den Spiegeln) den direkt am ersten Spiegel reflektierten Lichtstrahl exakt auslöscht “, sagen Jewgeni Slobodkin und Gil Weinberg, die Doktoranden, die das System in Jerusalem aufgebaut haben.
Die beiden Teilstrahlen überlagern sich so, dass sich das Licht sozusagen selbst blockiert: Obwohl der teildurchlässige Spiegel allein eigentlich einen großen Teil des Lichts reflektieren würde, wird diese Reflexion durch den anderen Teil des durch den Spiegel hindurchgehenden Strahls unmöglich gemacht System vor der Rückkehr zum teildurchlässigen Spiegel.
Daher wird der früher teilweise transparente Spiegel nun für den einfallenden Laserstrahl vollständig transparent. Dadurch entsteht eine Einbahnstraße für das Licht: Der Lichtstrahl kann in das System eintreten, dann aber aufgrund der Überlagerung des reflektierten Anteils und des kreisförmig durch das System geführten Anteils nicht mehr austreten. Dem Licht bleibt also nichts anderes übrig, als absorbiert zu werden – der gesamte Laserstrahl wird von einer dünnen Schicht verschluckt, die sonst den größten Teil des Strahls durchlassen würde.
Ein robustes Phänomen
„Das System muss genau auf die Wellenlänge abgestimmt sein, die man absorbieren möchte“, sagt Stefan Rotter. „Aber ansonsten gibt es keine einschränkenden Anforderungen. Der Laserstrahl muss keine bestimmte Form haben, er kann an manchen Stellen intensiver sein als an anderen – es wird immer eine nahezu perfekte Absorption erreicht.“
Auch Luftturbulenzen und Temperaturschwankungen können dem Mechanismus nichts anhaben, wie Experimente an der Hebräischen Universität in Jerusalem zeigten. Das beweist, dass es sich um einen robusten Effekt handelt, der vielfältige Anwendungen verspricht – der vorgestellte Mechanismus könnte beispielsweise sogar gut geeignet sein, Lichtsignale perfekt einzufangen, die bei der Übertragung durch die Erdatmosphäre verzerrt werden. Der neue Ansatz könnte auch von großem praktischem Nutzen sein, um Lichtwellen von schwachen Lichtquellen (wie entfernten Sternen) optimal in einen Detektor einzuspeisen.
Yevgeny Slobodkin et al, Massiv entarteter kohärenter perfekter Absorber für beliebige Wellenfronten, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abq8103. www.science.org/doi/10.1126/science.abq8103
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