Net als vrolijke mensen op een feestje, fotonen maken willekeurige wandelingen door witte verf; maar hun dichtheid bleef onbeheersbaar. Onlangs, wetenschappers van de Universiteit Twente in Nederland zijn erin geslaagd om de energiedichtheid van fotonen in ondoorzichtige materialen zoals witte verf te beheersen.

Door geïsoleerde fluorescerende nanobolletjes in de witte verf te combineren als "reporters" met geavanceerde golffrontvorming van invallend licht, de onderzoekers zien dat de energiedichtheid van fotonen in de verf sterk wordt verhoogd, in uitstekende overeenstemming met een nieuwe theorie.

De resultaten vinden toepassingen in verlichting, zonnepanelen, biomedische optica en willekeurige lasers, en worden in juli gepubliceerd in het high-impact tijdschrift van de Optical Society (OSA) optiek in een paper getiteld "3-D ruimtelijk opgeloste optische energiedichtheid verbeterd door golffrontvorming."

Wanneer een constante stroom fotonen in een laserstraal op een ondoorzichtig materiaal zoals witte verf schijnt, poeder, sneeuw, of biologisch weefsel, de willekeurig gerangschikte deeltjes in het materiaal verstrooien de fotonen willekeurig. Binnen het materiaal, de fotonen maken een willekeurige wandeling, vergelijkbaar met een vrolijk, licht dronken, persoon die de andere kant van de partij probeert te bereiken.

Vandaar, door het ondoorzichtige materiaal worden slechts weinig fotonen doorgelaten, en het meeste invallende licht wordt gereflecteerd. Dit is de reden waarom sneeuw zo helder wit is:de meeste fotonen die door de zon invallen worden weerkaatst.

De fotonen die willekeurige wandelingen in de witte verf uitvoeren, hebben een vrij lage dichtheid die geleidelijk afneemt van een maximum nabij het vooroppervlak naar het achteroppervlak. Om een ​​efficiënte energieconversie te bereiken voor toepassingen zoals halfgeleiderverlichting, zonnepanelen, biomedische optica, en willekeurige lasers, echter, zoveel mogelijk fotonen moeten naar gerichte locaties diep in een verstrooiingsmedium gaan, met andere woorden:"zoveel mogelijk vrolijke mensen verzamelen zich op de feestlocatie."

Zonder gedetailleerde kennis van de zeer complexe driedimensionale (3-D) structuur van de witte verf, het lijkt onmogelijk om de 3D-dichtheid van fotonen in het materiaal te controleren. Echter, het Twentse team heeft dit probleem met succes opgelost door recent ontwikkelde geavanceerde methoden toe te passen waarbij het golffront van het invallende licht ruimtelijk wordt gevormd, zie figuur 1.

De Twentse methode gaat uit van het besef dat een verstrooiingsmedium duizenden zendkanalen heeft. Opmerkelijk, sterk zendende kanalen bestaan ​​onder alle kanalen. Licht wordt selectief gekoppeld aan die sterk doorlatende kanalen wanneer een geoptimaliseerde focus wordt gemaakt op het achteroppervlak van de verf door het golffront van invallend licht ruimtelijk vorm te geven.

Hoewel de input-outputrelatie van licht gemakkelijk kan worden gedetecteerd, de interne optische energiedichtheid blijft onbekend. Prof. Willem Vos legt uit:"In de volksmond gezegd, we vermoedden al dat we veel vrolijke mensen (fotonen) konden overtuigen om binnen de witte verf mee te feesten. Maar we wisten nog niet hoe het feest eruit zag, omdat je niet in een ondoorzichtig materiaal kunt kijken. En we wisten ook niet hoeveel mensen mee konden doen."

Om dit probleem op te lossen, het Twentse team gebruikt geïsoleerde fluorescerende nanobolletjes verspreid in de witte verf als rapportagedeeltjes. De driedimensionale (x, ja, z)-positie van elk nanodeeltje wordt verkregen door het fluorescerende intensiteitspatroon op het achteroppervlak. Tegelijkertijd, de verbetering van de energiedichtheid wordt onthuld door de verbetering van de totale fluorescentie-intensiteit te scannen.

Met slechts een enkele kleine nanosfeer tegelijk, het Twentse team moest moeizaam lange waarnemingen doen om voldoende fluorescentie op te vangen. Eindelijk, er werd een sterke positieafhankelijke verbetering van de energiedichtheid waargenomen, dat blijkt heel goed overeen te komen met een nieuw ontwikkelde theorie. Het team slaagde er niet alleen in om energieverbetering versus diepte te observeren, zoals weergegeven in figuur 2, maar ook versus zijwaartse positie.

Vos zegt, "Deze resultaten zijn geweldig nieuws voor veel toepassingen met betrekking tot optische energieconversie in witte verfachtige dekkende materialen. We hebben nu een hulpmiddel om licht letterlijk door witte verf te 'roeren' om op de gewenste locaties te eindigen. we kunnen nu de witheid van een witte LED regelen, door te optimaliseren voor warm of koud wit licht. En dit wordt met grote belangstelling ontvangen door onze collega's in de verlichtingsindustrie."