Filtrul de lumină lasă razele să treacă dintr-o singură direcție

Asemenea unui polițist care conduce mașinile, un teanc stratificat de materiale transparente permite luminii care sosesc dintr-o singură direcție să treacă. Astfel de filtre sensibile la unghi ar putea îmbunătăți camerele și telescoapele sau ar permite celulelor solare să transforme lumina solară în energie mai eficient.

Oamenii au creat filtre de lumină eficiente de mii de ani. Vitraliul, de exemplu, filtrează lumina după culoare, permițând doar o singură nuanță să strălucească în timp ce reflectă lumina la alte lungimi de undă. Dar oamenii de știință au avut probleme în filtrarea luminii în funcție de unghiul din care ajunge.

În crearea unui filtru direcțional de lumină, fizicianul MIT Yichen Shen și echipa sa știau că, pentru interfața dintre orice pereche de materiale, lumina care vine dintr-un unghi specific, cunoscut sub numele de unghi Brewster, poate trece pur și simplu fără obstacole – nu va fi reflectată. sau îndoit.

Cunoașterea unghiului Brewster al unei interfețe a oferit o modalitate de a permite luminii dintr-un unghi dorit să treacă, dar echipa lui Shen a trebuit să descopere cum să blocheze lumina din toate celelalte direcții. Au rezolvat problema prin crearea unui teanc de 84 de straturi alternative din două materiale transparente: sticlă și oxid de tantal. Ori de câte ori lumina a lovit stiva sub orice unghi, altul decât unghiul Brewster, a suferit o combinație de reflexie și îndoire pe măsură ce a întâlnit fiecare graniță dintre straturi. Când lumina a ajuns la a 83-a și ultima graniță, s-a reflectat complet. „Este o abordare foarte inteligentă”, spune Peter Bermel, inginer electrician la Universitatea Purdue din West Lafayette, Indiana.

Pentru a-și testa dispozitivul, Shen și echipa sa au îndreptat o cameră către o imagine a unui curcubeu și și-au plasat stiva lor dreptunghiulară de 2 pe 4 centimetri între ele. (Stiva a fost plasată într-un rezervor de lichid incolor care are aceleași proprietăți optice ca și sticla, astfel încât nicio lumină să nu se îndoaie sau să se reflecte atunci când trece din lichid în partea de sticlă a stivei.)

În cele mai multe unghiuri, stiva a acționat ca o oglindă, arătând o imagine a camerei. Și-a păstrat proprietățile reflectorizante și a rămas o oglindă atunci când cercetătorii au rotit proba. Doar la unghiul magic de 55 de grade – unghiul Brewster – stiva de oxid de sticlă-tantal a devenit la fel de transparentă ca geamul ferestrei și curcubeul a apărut la vedere, raportează cercetătorii în 28 martie. Ştiinţă. „Funcționează pe întreaga gamă de lungimi de undă vizibile”, spune Shen și, de asemenea, ar trebui să funcționeze cu aproape orice pereche de materiale transparente. Bermel speră să vadă cercetările viitoare combină controlul unghiular cu filtre de culoare și polarizare.

Shen își propune într-o zi să monteze o cameră cu un filtru sensibil la unghi, care să abordeze propunerea dificilă de a fotografia oamenii afară într-o zi luminoasă. Atâta timp cât soarele nu se află direct în spatele persoanei fotografiate, filtrul ar elimina strălucirea de fundal. În mod similar, tehnologia ar putea funcționa în telescoape, astfel încât un astronom din curte să poată spiona o stea sau o galaxie slabă care altfel ar fi copleșită de luminozitatea unui obiect învecinat.

Shen spune că o variantă a dispozitivului ar putea îmbunătăți și sistemele de energie termică solară, care concentrează lumina soarelui și generează energie din căldura acestuia. Un filtru direcțional ar putea permite razelor solare, care intră într-un unghi previzibil, să treacă, dar împiedică scăparea căldurii sub formă de lumină infraroșie.