近日,美國麻省理工學院光子與現(xiàn)代電磁學研究小組在光波傳導和控制領域取得重大突破,他們首創(chuàng)光波傳導方向的控制機制,研究成果已發(fā)表在最近一期的頂級學術期刊《科學》雜志上。浙江大學信息與電子工程系的學者也給該項研究提供了重要支持。

據(jù)中國經(jīng)濟網(wǎng)記者了解,這項被稱為方向選擇性濾光器的研究隸屬于麻省理工學院固態(tài)光熱伏電池項目。該項目的多種潛在應用領域里一個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8090%。麻省理工學院的學者們與浙江大學合作,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特定方向傳播進入此種材料,而從其他方向傳播的光線都會被反射,由此確保已被吸收的光波不會散射流失,最大程度實現(xiàn)太陽能電池板對光的吸收和存儲。

固態(tài)光熱伏電池示意圖

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,當光打在兩種材料的交界面時會發(fā)生反射。然而有一個神奇的角度叫做布魯斯特角,當光線剛好從布魯斯特角入射時,材料交界面上不會有任何反射。

研究論文第一作者、麻省理工學院應用物理系三年級博士生沈亦晨表示:雖然光在每一個材料交界面處只有很少部分被反射,但當一個材料系統(tǒng)有多層結構時,光在各個交界面的反射疊加能夠使得大部分光線被反射,唯獨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)實現(xiàn)了對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

據(jù)中國經(jīng)濟網(wǎng)記者了解,該項研究在光伏電池、光學探測系統(tǒng)以及交通工具抗干擾等領域都有潛在應用價值。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光波的選擇特性因而發(fā)電效率有限。麻省理工學院的固態(tài)光熱伏電池項目對太陽光的吸收方式進行革新,首先將全部波段的太陽光納入吸收板,遂轉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)電效率得到質的提升。

此外,方向選擇性濾光器還可應用于天文望遠鏡、顯微鏡和照相機等光學探測系統(tǒng)。當照相機被用來逆光拍攝物體時,選擇性濾光可使相機只接受被攝物體方向的光線,從而避免其他方向的強光干擾、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方向的材料制作汽車擋風前窗,則可有效屏蔽迎面駛來車輛的強光干擾,降低交通事故發(fā)生率。目前,美國軍方也在與MIT的學者們探討將方向選擇性濾光器應用到戰(zhàn)斗機飛行員抗激光干擾方面的可能性。