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近日,美國麻省理工學(xué)院光子與現(xiàn)代電磁學(xué)研究小組在光波傳導(dǎo)和控制領(lǐng)域取得重大突破,他們首創(chuàng)光波傳導(dǎo)方向的控制機(jī)制,研究成果已發(fā)表在最近一期的頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上。浙江大學(xué)信息與電子工程系的學(xué)者也給該項(xiàng)研究提供了重要支持。
據(jù)記者了解,這項(xiàng)被稱為“方向選擇性濾光器”的研究隸屬于麻省理工學(xué)院固態(tài)光熱伏電池項(xiàng)目。該項(xiàng)目的多種潛在應(yīng)用領(lǐng)域里一個(gè)比較重要的部分在于變革工業(yè)用太陽能電池板,將發(fā)電效率從現(xiàn)有的15%提升至80—90%。麻省理工學(xué)院的學(xué)者們與浙江大學(xué)合作,首次研發(fā)出一種有效的材料系統(tǒng),使得光線僅能從某個(gè)特定方向傳播進(jìn)入此種材料,而從其他方向傳播的光線都會(huì)被反射,由此確保已被吸收的光波不會(huì)散射流失,最大程度實(shí)現(xiàn)太陽能電池板對(duì)光的吸收和存儲(chǔ)。
固態(tài)光熱伏電池示意圖 圖片來源:"A Nanophotonic Solar Thermophotovoltaic Device”. Nature Nanotechnology, Vol.9, 126 (2014)
該種材料系統(tǒng)由兩種不同的極薄材料堆積而成,每一層的厚度都能被精確地控制。課題研究組的教授介紹說:“通常情況下,當(dāng)光打在兩種材料的交界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射。然而有一個(gè)神奇的角度叫做布魯斯特角,當(dāng)光線剛好從布魯斯特角入射時(shí),材料交界面上不會(huì)有任何反射。”
研究論文第一作者、麻省理工學(xué)院應(yīng)用物理系三年級(jí)博士生沈亦晨表示:“雖然光在每一個(gè)材料交界面處只有很少部分被反射,但當(dāng)一個(gè)材料系統(tǒng)有多層結(jié)構(gòu)時(shí),光在各個(gè)交界面的反射疊加能夠使得大部分光線被反射,唯獨(dú)沿著布魯斯特角傳播的那束光線除外。我們用80層精確控制厚度的材料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有可見光波段傳播方向的選擇。”
方向選擇性濾光器效果圖 圖片來源:許偉舜,張宇浩
據(jù)中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng)記者了解,該項(xiàng)研究在光伏電池、光學(xué)探測系統(tǒng)以及交通工具抗干擾等領(lǐng)域都有潛在應(yīng)用價(jià)值。以光伏電池為例,目前傳統(tǒng)的太陽能光伏電池板由單晶硅制成,單晶硅只能吸收波長小于1.2微米部分的太陽光并將其轉(zhuǎn)換為電能,而此波段只占太陽光全部能量的37%左右,傳統(tǒng)太陽能電池板受制于單晶硅對(duì)光波的選擇特性因而發(fā)電效率有限。麻省理工學(xué)院的固態(tài)光熱伏電池項(xiàng)目對(duì)太陽光的吸收方式進(jìn)行革新,首先將全部波段的太陽光納入吸收板,遂轉(zhuǎn)換為熱能加熱吸收板,繼而控制吸收板只輻射能被單晶硅最有效利用的光波波段,使太陽能電池的發(fā)電效率得到質(zhì)的提升。
此外,方向選擇性濾光器還可應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡和照相機(jī)等光學(xué)探測系統(tǒng)。當(dāng)照相機(jī)被用來逆光拍攝物體時(shí),選擇性濾光可使相機(jī)只接受被攝物體方向的光線,從而避免其他方向的強(qiáng)光干擾、清晰捕捉到被拍攝物體。在交通工具抗干擾方面,若用此種可選擇光波傳導(dǎo)方向的材料制作汽車擋風(fēng)前窗,則可有效屏蔽迎面駛來車輛的強(qiáng)光干擾,降低交通事故發(fā)生率。目前,美國軍方也在與MIT的學(xué)者們探討將方向選擇性濾光器應(yīng)用到戰(zhàn)斗機(jī)飛行員抗激光干擾方面的可能性。
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