El nuevo diseño de la cavidad absorbe más rayos.

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Cuando se coloca en una trampa de lente y espejo, un material débilmente absorbente puede captar la luz desde casi cualquier dirección.

O. Haim/Universidad Hebrea de Jerusalén

Un nuevo diseño de cavidad óptica puede atrapar más modos de luz entrantes que los diseños anteriores.

Los suéteres de lana negros absorben casi toda la luz que los golpea, lo que ayuda a mantener abrigado al que los usa. Pero los materiales gruesos de color oscuro no funcionan para los dispositivos captadores de luz, como los fotodetectores y los interruptores ópticos, que en su lugar requieren que la luz entrante sea absorbida por un material delgado, en su mayoría transparente. Los investigadores ahora han construido una trampa de lente y espejo que captura la luz en una película delgada de vidrio que por sí sola absorbería solo el 15% de la luz incidente. El diseño, desarrollado por Stefan Rotter de la Universidad Tecnológica de Viena y Ori Katz de la Universidad Hebrea de Jerusalén, asegura una absorción casi perfecta de la luz desde una amplia variedad de direcciones. [1].

Los materiales delgados y de baja absorción juegan un papel importante en las aplicaciones ópticas porque permiten el uso de dispositivos a pequeña escala sin la necesidad de superficies o recubrimientos con patrones complejos a nanoescala. Tradicionalmente, la forma de hacer que un material delgado y débilmente absorbente absorba más luz es colocarlo entre dos espejos. En tal resonador, la luz rebota de un lado a otro, pasando a través del material varias veces. Esto hace que el material sea más propenso a absorber la luz. Pero debido a que el espejo frontal es parcialmente transparente, para permitir que la luz entre en la cavidad en primer lugar, parte de la luz atrapada se escapa con cada rebote.

En 2010, Douglas Stone y su equipo de la Universidad de Yale sugirió una manera para evitar fugas y lograr una absorción casi perfecta. El enfoque, que se basa en la cavidad tradicional de dos espejos, alinea un haz entrante de tal manera que cancela la fuga que podría esperarse. La luz queda atrapada entre los espejos, rebotando hasta que toda la energía es absorbida por un material delgado (ver Punto de vista: el láser trasero produce un absorbente perfecto). En 2011, el colega de Stone, Hui Cao llevó a cabo este proceso en una oblea de silicio que absorbe el 99,4% de la luz entrante. Pero este dispositivo estaba limitado a un solo modo o patrón espacial de luz. Cualquier otro patrón, como un simple haz inclinado, daba como resultado múltiples caminos reflejados que no podían cancelarse entre sí.

Rotter, Katz y sus colegas ahora amplían el diseño monomodo agregando dos lentes, que permiten que la cavidad absorba por completo una gran cantidad de modos de luz de una longitud de onda dada. «Creemos que esto elimina un impedimento importante para su aplicación», dice Rotter. En su diseño, un rayo láser cae sobre el espejo frontal, que refleja parte de la luz y transmite la otra parte hacia la cavidad donde se coloca una fina película de vidrio. La luz en la cavidad es dirigida en un círculo por las lentes y el espejo retrovisor para que regrese al espejo frontal, donde normalmente escaparía una fracción de la luz. Sin embargo, aquí está el truco: la óptica se ajusta para que esta luz con fugas se superponga con precisión al reflejo inicial, creando un efecto de interferencia destructivo que cancela toda la luz saliente.

El resultado es que el primer espejo se vuelve completamente transparente al rayo láser original y no refleja nada de él. Por lo tanto, el haz ingresa al sistema en una sola dirección y queda atrapado, yendo y viniendo varias veces entre los espejos sin otro lugar a donde ir además de ser absorbido por la delgada película de vidrio.

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La nueva trampa de luz consta de un espejo parcialmente transparente; un absorbente delgado y débil; dos lentes convergentes; y un espejo totalmente reflectante. La configuración produce dos haces de luz reflejada: uno que rebota en el espejo frontal y otro que atraviesa el espejo frontal y se refleja en el segundo espejo. Debido a la colocación cuidadosa de los elementos ópticos, estos dos haces interfieren negativamente entre sí. Casi toda la energía de la luz incidente termina en el absorbedor delgado.La nueva trampa de luz consta de un espejo parcialmente transparente; un absorbente delgado y débil; dos lentes convergentes; y un espejo totalmente reflectante. La configuración produce dos haces de luz reflejada: uno que rebota en el espejo frontal y otro que va… Mostrar más

Para probar la efectividad de su diseño, los investigadores dirigieron un láser con una longitud de onda de 633 nm en su cavidad y registraron la luz reflejada total, un indicador directo de cuánta luz fue absorbida por la película de vidrio. “Todo lo que no se refleja en la cavidad debe haber sido absorbido dentro de ella”, dice Rotter. El equipo probó simultáneamente más de 1000 modos pasando la luz a través de un modulador que generaba un patrón moteado similar al yin-yang. Casi no se refleja la luz, lo que significa que el cristal absorbe todos los modos. El nivel de absorción superó el 94%, con algunos modos absorbiéndose hasta el 98%. En comparación, la película de vidrio sin la cavidad solo absorbería el 15% de la luz entrante. El equipo también demostró que el diseño puede absorber eficazmente la luz variable en el tiempo debido a la turbulencia del aire o las variaciones de temperatura.

Nir Davidson, un experimentador que trabaja en cavidades de autoimagen en el Instituto de Ciencias Weizmann en Israel, dice: «Katz y Rotter descubrieron que se pueden usar las propiedades de una cavidad para pasar de uno o dos modos a mil modos. Es un trabajo muy agradable. Agrega que saltar de un modo a muchos empuja la técnica mucho más cerca de ser una herramienta útil.

Según Rotter y Katz, el diseño podría ser de interés para la astronomía, donde tales cavidades podrían ayudar a los detectores a capturar señales débiles, como la tenue luz de las estrellas que pasa a través de la atmósfera turbulenta. Las cavidades también podrían beneficiar a futuros interruptores alimentados por luz y componentes ópticos de computadoras.

–Rachel Berkowitz

Rachel Berkowitz es la editora correspondiente de revisión de física con sede en Vancouver, Canadá.

Referencias

  1. Y. Slobodkin et al.«Absorbedor perfecto coherente masivamente degenerado para frentes de onda arbitrarios» La ciencia 377995 (2022).

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