Een optische coating als geen ander

Al meer dan een eeuw worden optische coatings gebruikt om bepaalde golflengten van licht van lenzen en andere apparaten beter te reflecteren of, omgekeerd, om bepaalde golflengten beter door te laten. De coatings van getinte brillen bijvoorbeeld reflecteren of “blokkeren” schadelijk blauw licht en ultraviolette straling.

Maar tot nu toe was er nooit een optische coating ontwikkeld die tegelijkertijd dezelfde golflengte of kleur kon reflecteren en doorgeven.

In een krant in Natuur Nanotechnologiebeschrijven onderzoekers van de University of Rochester en Case Western Reserve University een nieuwe klasse optische coatings, de zogenaamde Fano Resonance Optical Coatings (FROC’s), die kunnen worden gebruikt op filters om kleuren van opmerkelijke zuiverheid te reflecteren en door te geven.

Bovendien kan de coating worden gemaakt om alleen een zeer smal golflengtebereik volledig te reflecteren.

“De smalheid van het gereflecteerde licht is belangrijk omdat we een zeer nauwkeurige controle over de golflengte willen hebben”, zegt de corresponderende auteur Chunlei Guo, professor aan het Rochester’s Institute of Optics. “Vóór onze technologie was de enige coating die dit kon doen een meerlagige diëlektrische spiegel, die veel dikker is, lijdt aan een sterke hoekafhankelijkheid en veel duurder is om te maken. Onze coating kan dus goedkoop en duur zijn. -performance alternatief. “

De onderzoekers voorzien enkele toepassingen voor de nieuwe technologie. Ze laten bijvoorbeeld zien hoe FROC’s kunnen worden gebruikt om thermische en fotovoltaïsche banden van het zonnespectrum te scheiden. Een dergelijke capaciteit zou de effectiviteit kunnen verbeteren van apparaten die hybride thermisch-elektrische stroomopwekking gebruiken als optie voor zonne-energie. “Door alleen de nuttige band van het zonnespectrum naar een fotovoltaïsche cel te sturen, wordt oververhitting voorkomen”, zegt Guo.

De technologie zou ook kunnen leiden tot een zesvoudige verlenging van de levensduur van een fotovoltaïsche cel. En de rest van het spectrum “wordt geabsorbeerd als thermische energie, die op andere manieren kan worden gebruikt, zoals energieopslag voor de nacht, elektriciteitsopwekking, door zonne-energie aangedreven waterzuivering of het verwarmen van een voorraad water”, zegt Guo.

“Deze optische coatings kunnen duidelijk veel dingen doen die andere coatings niet kunnen”, voegt Guo toe. Maar net als bij andere nieuwe ontdekkingen, “zal het wat tijd kosten voor ons of andere laboratoria om dit verder te bestuderen en met meer toepassingen te komen.

“Zelfs toen de laser werd uitgevonden, wisten de mensen aanvankelijk niet wat ze ermee moesten doen. Het was iets nieuws dat op zoek was naar een toepassing.”

Guo’s lab, het High-Intensity Femtosecond Laser Laboratory, staat bekend om zijn baanbrekende werk in het gebruik van femtoseconde lasers om unieke eigenschappen in metalen oppervlakken te etsen.

Het FROC-project was het resultaat van de wens om “parallelle” manieren te onderzoeken om unieke oppervlakken te creëren die niet met laseretsen te maken hebben. “Sommige toepassingen zijn gemakkelijker met laser, maar andere zijn gemakkelijker zonder”, zegt Guo.

Fano-resonantie, genoemd naar de natuurkundige Ugo Fano, is een wijdverbreid fenomeen van golfverstrooiing dat voor het eerst werd waargenomen als een fundamenteel principe van atoomfysica waarbij elektronen betrokken zijn. Later ontdekten onderzoekers dat hetzelfde fenomeen ook in optische systemen kan worden waargenomen. “Maar het ging om zeer complexe ontwerpen”, zegt Guo.

Guo en zijn collega’s vonden een eenvoudigere manier om te profiteren van Fano-resonantie in hun optische coatings.

Ze brachten een dunne, 15 nanometer dikke film van germanium aan op een metalen oppervlak, waardoor een oppervlak ontstond dat in staat was om een ​​brede band aan golflengten te absorberen. Ze combineerden dat met een holte die een smalbandresonantie ondersteunt. De gekoppelde holtes vertonen Fano-resonantie die in staat is om een ​​zeer smalle lichtband te reflecteren.