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近日,美国麻省理工学院光子与现代电磁学研究小组在光波传导和控制领域取得重大突破,他们首创光波传导方向的控制机制,研究成果已发表在最近一期的顶级学术期刊《科学》杂志上。浙江大学信息与电子工程系的学者也给该项研究提供了重要支持。
据记者了解,这项被称为“方向选择性滤光器”的研究隶属于麻省理工学院固态光热伏电池项目。该项目的多种潜在应用领域里一个比较重要的部分在于变革工业用太阳能电池板,将发电效率从现有的15%提升至80—90%。麻省理工学院的学者们与浙江大学合作,首次研发出一种有效的材料系统,使得光线仅能从某个特定方向传播进入此种材料,而从其他方向传播的光线都会被反射,由此确保已被吸收的光波不会散射流失,最大程度实现太阳能电池板对光的吸收和存储。
固态光热伏电池示意图 图片来源:"A Nanophotonic Solar Thermophotovoltaic Device”. Nature Nanotechnology, Vol.9, 126 (2014)
该种材料系统由两种不同的极薄材料堆积而成,每一层的厚度都能被精确地控制。课题研究组的教授介绍说:“通常情况下,当光打在两种材料的交界面时会发生反射。然而有一个神奇的角度叫做布鲁斯特角,当光线刚好从布鲁斯特角入射时,材料交界面上不会有任何反射。”
研究论文第一作者、麻省理工学院应用物理系三年级博士生沈亦晨表示:“虽然光在每一个材料交界面处只有很少部分被反射,但当一个材料系统有多层结构时,光在各个交界面的反射叠加能够使得大部分光线被反射,唯独沿着布鲁斯特角传播的那束光线除外。我们用80层精确控制厚度的材料系统实现了对所有可见光波段传播方向的选择。”
方向选择性滤光器效果图 图片来源:许伟舜,张宇浩
据中国经济网记者了解,该项研究在光伏电池、光学探测系统以及交通工具抗干扰等领域都有潜在应用价值。以光伏电池为例,目前传统的太阳能光伏电池板由单晶硅制成,单晶硅只能吸收波长小于1.2微米部分的太阳光并将其转换为电能,而此波段只占太阳光全部能量的37%左右,传统太阳能电池板受制于单晶硅对光波的选择特性因而发电效率有限。麻省理工学院的固态光热伏电池项目对太阳光的吸收方式进行革新,首先将全部波段的太阳光纳入吸收板,遂转换为热能加热吸收板,继而控制吸收板只辐射能被单晶硅最有效利用的光波波段,使太阳能电池的发电效率得到质的提升。
此外,方向选择性滤光器还可应用于天文望远镜、显微镜和照相机等光学探测系统。当照相机被用来逆光拍摄物体时,选择性滤光可使相机只接受被摄物体方向的光线,从而避免其他方向的强光干扰、清晰捕捉到被拍摄物体。在交通工具抗干扰方面,若用此种可选择光波传导方向的材料制作汽车挡风前窗,则可有效屏蔽迎面驶来车辆的强光干扰,降低交通事故发生率。目前,美国军方也在与MIT的学者们探讨将方向选择性滤光器应用到战斗机飞行员抗激光干扰方面的可能性。
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