Figura 1. Un material opaco que se ilumina con un rayo láser (verde) cuyos frentes de onda tienen forma espacial. Parte de la luz incidente con forma se enfoca en la superficie posterior del medio opaco, y parte de la luz se dispersa aleatoriamente en un fondo difuso circundante. Las nanoesferas fluorescentes aisladas (puntos rojos) sirven para "informar" de la densidad de energía de la luz verde a través de la intensidad del rojo que se recoge en el experimento de Twente. Crédito:Universidad de Twente
Al igual que la gente alegre en una fiesta los fotones realizan caminatas al azar a través de pintura blanca; pero su densidad permaneció fuera de control. Recientemente, Los científicos de la Universidad de Twente en los Países Bajos han logrado controlar la densidad de energía de los fotones dentro de materiales opacos como la pintura blanca.
Combinando nanoesferas fluorescentes aisladas dentro de la pintura blanca como "reporteros" con la forma avanzada de frente de onda de la luz incidente, los investigadores observan que la densidad de energía de los fotones en la pintura aumenta considerablemente, en excelente acuerdo con una nueva teoría.
Los resultados encuentran aplicaciones en iluminación, células solares, óptica biomédica y láseres aleatorios, y se publican en julio en la revista de alto impacto de Optical Society (OSA) Optica en un artículo titulado "Densidad de energía óptica resuelta espacialmente en 3-D mejorada por la conformación del frente de onda".
Cuando una corriente constante de fotones en un rayo láser brilla sobre un material opaco como pintura blanca, polvo, nieve, o tejido biológico, las partículas dispuestas al azar en el material dispersan los fotones al azar. Dentro del material, los fotones realizan una caminata aleatoria, similar a un alegre, ligeramente ebrio, persona que intenta llegar al otro lado de la fiesta.
Por eso, solo unos pocos fotones se transmiten a través del material opaco, y la mayor parte de la luz incidente se refleja. Ésta es la razón por la que la nieve es de un blanco brillante:la mayoría de los fotones incidentes del sol se reflejan.
Los fotones que realizan caminatas aleatorias dentro de la pintura blanca tienen una densidad bastante baja que disminuye suavemente desde un máximo cerca de la superficie frontal hacia la superficie posterior. Para lograr una conversión de energía eficiente para aplicaciones como la iluminación de estado sólido, células solares, óptica biomédica, y láseres aleatorios, sin embargo, la mayor cantidad posible de fotones deben ir a ubicaciones específicas en las profundidades de un medio de dispersión, en otras palabras:"la mayor cantidad posible de gente alegre debería reunirse en el lugar de la fiesta".
Figura 2. Aumento de la fluorescencia diferencial sondada por nanoesferas a diferentes profundidades z, mientras se da forma al frente de onda de luz incidente para alcanzar un objetivo enfocado en la superficie posterior de la muestra (comparar la Fig. 1). La mejora aumenta con la profundidad z, lo que significa que los fotones tienen una densidad mucho mayor mucho más profunda dentro de la pintura blanca 3D. Crédito:Universidad de Twente
Sin un conocimiento detallado de la estructura tridimensional (3-D) altamente compleja de la pintura blanca, parece imposible controlar la densidad tridimensional de los fotones dentro del material. Sin embargo, el equipo de Twente ha resuelto con éxito este problema mediante el empleo de métodos avanzados desarrollados recientemente en los que el frente de onda de la luz incidente tiene una forma espacial, ver figura 1.
El método Twente se basa en la constatación de que un medio de dispersión tiene miles de canales de transmisión. Notablemente, Existen canales de alta transmisión entre todos los canales. La luz se acopla selectivamente a esos canales de alta transmisión cuando se realiza un enfoque optimizado en la superficie posterior de la pintura al dar forma espacial al frente de onda de la luz incidente.
Si bien la relación de entrada-salida de la luz se puede detectar fácilmente, la densidad de energía óptica interna sigue siendo desconocida. El profesor Willem Vos explica:"Popularmente dijo:ya sospechábamos que podíamos convencer a mucha gente alegre (fotones) de unirse a una fiesta dentro de la pintura blanca. Pero aún no sabíamos cómo era la fiesta, porque no se puede mirar dentro de un material opaco. Y tampoco sabíamos cuántas personas podrían unirse ".
Para resolver este problema, el equipo de Twente utiliza nanoesferas fluorescentes aisladas dispersas en la pintura blanca como partículas informadoras. El tridimensional (x, y, z) -La posición de cada nanopartícula se obtiene a través del patrón de intensidad fluorescente en la superficie posterior. Simultaneamente, la mejora de la densidad de energía se revela escaneando la mejora de la intensidad fluorescente total.
Con solo una pequeña nanoesfera a la vez, el equipo de Twente tuvo que hacer observaciones minuciosamente largas para recolectar suficiente fluorescencia. Finalmente, Se observó una fuerte mejora de la densidad de energía dependiente de la posición, que se encuentra muy de acuerdo con una teoría recién desarrollada. El equipo se las arregló no solo para observar el aumento de energía frente a la profundidad, como se muestra en la Figura 2, sino también frente a la posición lateral.
Vos dice, "Estos resultados son una gran noticia para muchas aplicaciones relacionadas con la conversión de energía óptica en materiales opacos similares a la pintura blanca. Ahora tenemos una herramienta para literalmente 'agitar' la luz a través de la pintura blanca para terminar en las ubicaciones deseadas. Por ejemplo, ahora podemos controlar la blancura de un LED blanco, optimizando para luz blanca cálida o fría. Y esto es recibido con gran interés por nuestros colegas de la industria de la iluminación ".
