In Wissenschaft und Technik ist es oft notwendig, möglichst viel Licht zu absorbieren, um daraus Energie zu gewinnen oder das einfallende Licht möglichst genau zu untersuchen. Bei massiven Objekten wie Photovoltaikanlagen ist dies relativ einfach. Komplizierter wird die vollständige Lichtabsorption jedoch bei hauchdünnen und damit lichtdurchlässigen Materialien.
Licht effektiv nutzen
Das lässt sich auch im Alltag beobachten, wie Stefan Rother vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität (TU) Wien erklärt. Ein Beispiel für eine gute Absorption ist schwarze Kleidung. Die menschliche Netzhaut hingegen absorbiert Licht schlechter. Je dunkler der Abend wird, desto schlechter wird auch die Sicht – obwohl es eigentlich noch etwas Licht geben sollte. Da die Netzhaut jedoch sehr dünn und lichtdurchlässig ist, geht ein Großteil des einfallenden Lichts verloren und kann nicht optimal genutzt werden.
Tiere, die nachtaktiv sind oder nachts jagen, haben Vorrang. Katzen müssen das wenige Licht so effizient nutzen, dass sie nachts sehen können. „Tiere schaffen das, indem sie hinter ihrer Netzhaut eine Spiegelschicht haben. Das bedeutet, dass das Licht wieder zurückkehrt und der Strahl wieder von der Netzhaut aufgenommen werden kann“, erklärt Rotter gegenüber science.ORF.at. Das ist auch der Grund für die nächtlichen leuchtenden Katzenaugen.
Vorbildlicher Charakter
Rotter beschäftigt sich schon lange mit Lichtabsorption und wollte den Ansatz der Katzen nutzen, um Licht in Wissenschaft und Technik optimal zu nutzen. Zusammen mit dem Experimentalphysiker Ori Katz von der Hebräischen Universität Jerusalem hatte er die Idee für eine Lichtfalle, mit der ein Lichtstrahl selbst in dünnsten Schichten vollständig absorbiert werden könnte – viel besser als es Katzen können. Rother: „Ein Lichtstrahl geht nur zweimal durch die Netzhaut der Katze, aber bei unserer Methode wird der Strahl immer wieder reflektiert und trifft so lange auf das Material, bis er vollständig absorbiert ist.“
Die theoretischen Berechnungen für die „perfekte Lichtfalle“ kamen aus Wien und wurden dann vom Team in Jerusalem experimentell umgesetzt.
Eine Einbahnstraße für Licht
Die Falle besteht aus präzise angeordneten Spiegeln und Linsen, die einen Lichtstrahl durch einen teilweise transparenten Spiegel im Inneren leiten, ihn dann aber so lange im Kreis lenken, bis er sich schließlich selbst überlappt. Der anfänglich teilweise transparente Spiegel wird für den einfallenden Laserstrahl vollständig transparent.
Das Ergebnis ist sozusagen eine Lichteinbahnstraße. Wenn die Falle genau auf die Wellenlänge des Lichtstrahls abgestimmt ist, verhindert sie ein erneutes Einfangen. „Das Licht hat dann keinen anderen Ausweg, als von dem dünnen Material im Innern der Falle vollständig absorbiert zu werden“, sagt Rother.
Ein gesundes System
Neben der perfekten Absorption hat die Falle noch weitere Vorteile, wie z. B. ihre Stärke. „Das System muss genau auf die Wellenlänge abgestimmt werden, die man absorbieren möchte“, sagt Rother. „Aber ansonsten gibt es keine Vorgaben. Der Laserstrahl muss keine bestimmte Form haben. Außerdem kann es an manchen Stellen intensiver sein als an anderen.“
Auch Luftturbulenzen oder Temperaturschwankungen können dem Mechanismus nichts anhaben, wie die Forscher bei den Experimenten in Jerusalem zeigen konnten. Als Ergebnis kann die Falle viele Verwendungen haben.
Breites Anwendungsspektrum
Der Mechanismus wäre unter anderem gut geeignet, um auch Lichtsignale, die bei der Übertragung durch die Erdatmosphäre verzerrt werden, perfekt einzufangen. Auch Licht von schwachen Lichtquellen, wie entfernten Sternen, kann optimal in einen Detektor eingespeist werden.
Die Lichtfalle wurde gerade im Labor getestet – bis zum tatsächlichen Einsatz in der Praxis kann es noch eine Weile dauern. „Zum ersten Mal konnten wir eine Falle bauen, die Licht perfekt einfängt und nicht wieder herauslässt.“ Mit der Einschränkung, dass die Falle bisher nur bei einer klar definierten Frequenz funktioniert“, sagt Rother. Die Wiener Methode ist für diese Frequenz ideal, kann aber noch für kein anderes Licht verwendet werden. Deshalb möchte Rotter in zukünftigen Studien die Falle für andere Lichtfrequenzen optimieren.
Add Comment