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科学家使透明材料吸收光

发布:opticsphotonics    |    2017-12-03 13:06    阅读:1453
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虚拟的光吸收过程示意图:一层透明材料暴露在两侧的光束中,光强随时间增加。援引:MIPT

来自俄罗斯、瑞典和美国的物理学家展示了一种极不寻常的光学效应。他们设法用一种没有光吸收能力的材料来“虚拟”吸收光线。发表在《Optica》的研究成果为光存储器件的制造开辟了新的道路。

包括光在内的电磁辐射的吸收,是电磁场主要效应之一。这个过程发生在电磁能量被转换成热或吸收材料中的另一种能量(例如, 在电子励磁期间)。煤炭、黑色油漆和碳纳米管阵列(也称为Vantablack)显示为黑色,因为它们几乎完全吸收入射光的能量。其他材料如玻璃或石英,没有吸收特性,因此看起来是透明的。

在他们的理论研究中,物理学家们试图通过制造完全透明的材料来改变这个简单而直观的概念,该研究结果发表在《Optica》杂志上。为了达到这一目的, 研究人员使用了散射矩阵的特殊数学性质——一个与系统散射的入射电磁场有关的函数。当一束时间无关的光束照射到一个透明物体上时,光不会被吸收,而是被物质散射,这是由散射矩阵的单一性质造成的现象。然而事实证明,如果入射光束的强度以某种方式随时间变化,那么至少可以暂时中断单一性质。特别是如果强度指数增长,那么总的入射光能量将会在透明材料中积累而不会散去(图1)。在这种情况下,系统将看起来完全从外侧吸收。

在透明材料的薄层中的虚拟吸收效应。虚线表示依赖于时间的入射波的幅度; 实线是包含入射波和透射波的散射信号的幅度。散射信号在t = 0时消失,表明入射波能量完全“锁定”在层中。援引:MIPT

为了说明这一效应,研究人员检测了一层透明电介质薄层,并计算了吸收入射光所需的强度分布。计算证实,当入射波强度呈指数增长时(图2中的虚线),光既不透射也不反射(图2中的实线)。也就是说,尽管没有实际的吸收能力,但该层看起来完全吸收。然而,当入射波振幅的指数增长停止时(在t = 0时),锁定在层中的能量会被释放出来。

“我们的理论研究结果似乎相当违反直觉,直到我们开始研究之前,我们甚至无法想象能够用一个透明的结构来找到这样一个窍门,”MIPT的博士研究生,这项研究的作者之一,Denis Baranov如是说。“然而,正是数学引领我们找到该效应,谁知道呢,电动力学可能还会有其他迷人的现象。”

研究结果不仅拓宽了我们对光与普通透明材料相互作用的一般认识,而且具有广泛的实际应用。举一个例子,光在透明材料中的积累可以帮助设计光学存储器件,可以存储光学信息而没有任何损失,并且在需要时释放光学信息。

来源:https://phys.org/news/2017-11-scientists-transparent-materials-absorb.html

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