Als je getuige bent geweest van het regenboogpatroon dat danst op het oppervlak van een cd of dvd, dan heb je diffractie aan het werk gezien. De schijf werkt als een diffractierooster, een optisch element dat licht verspreidt in verschillende kleuren of golflengten.

Deze verdeling van licht kan op elke periodieke, of golfde, oppervlakte. De richting van deze verdeelde lichtstralen, en daaropvolgende verstrooiing van licht, kan worden geschat door middel van een veelgebruikte reeks vergelijkingen, de niet-paraxiale scalaire diffractietheorie. Christi Madsen, professor in de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de Texas A&M University, test de grenzen van deze fundamentele theorie, zodat een nauwkeuriger begrip van verstrooiingsverliezen kan worden bereikt.

Madsen werkt aan het verbeteren van de systemen die zonne-energie opwekken door het gebruik van concentrerende spiegels of lenzen door het licht efficiënter naar de converter te krijgen, of het nu fotovoltaïsche, die zonlicht omzet in elektriciteit, of thermisch, die warmte omzet in elektriciteit - en het totale systeemverlies vermindert.

Haar onderzoek naar dit onderwerp werd gepubliceerd in het maartnummer van het tijdschrift Toegepaste optica . Met dit papier, Madsen ging in op hoe ver een basisberekening van de diffractie-efficiëntie zou kunnen zijn (gemakkelijk meer dan 10%) bij het schatten van de verstrooiingsefficiëntie en liet vervolgens zien hoe de berekening binnen 1-2% nauwkeurigheid kon komen.

Een optische vezel is een flexibele, transparante vezel die licht tussen de twee uiteinden doorlaat. Stel je een oplichtend speeltje voor met heldere, transparante vezels die kunnen worden gekocht voor een kind om rond te zwaaien bij een concert of evenement. Madsen legde uit dat standaard optische vezels nuttig zijn voor veel toepassingen in de echte wereld, zoals computernetwerken en telecommunicatie, maar vanwege hun kleine formaat zijn ze eenvoudigweg niet praktisch om zonlicht naar een andere locatie te verplaatsen.

Vanwege de beperkte helderheid van zonnelicht in vergelijking met lasers, grotere golfgeleiders, of lichtpijpen, moet worden gebruikt om het geconcentreerde zonlicht van punt A naar punt B te transporteren.

"Lichtpijpen zijn grote versies van optische vezels, die licht extreem lange afstanden met zeer weinig verlies dragen (bijv. transmissie-efficiëntie van meer dan 90% over een afstand van een mijl), maar hebben een zeer klein gebied dat het licht geleidt (bijv. 10 micron diameter, vergeleken met 1 millimeter of groter voor lichtpijpen), ' zei Madsen.

Hoewel lichtpijpen veelbelovend zijn, vooral wanneer gemaakt van glas, ze lijden momenteel hogere verliezen tijdens de transmissie van licht als gevolg van verstrooiing aan het oppervlak, dat is een belangrijk technologisch probleem - een Madsen is vastbesloten om te veranderen.

"Een van de dominante verliezen vindt plaats aan het oppervlak van de golfgeleider, "Zei Madsen. "Dus, als we die verstrooiingsverliezen laag kunnen krijgen - zo laag als in een optische vezel - kunnen we een lange afstand afleggen met het geconcentreerde zonlicht."

In plaats van zonne-licht om te zetten in elektrische stroom voor onmiddellijk gebruik, Madsen stelt zich voor om lichtenergie optisch naar een andere locatie te verplaatsen door zonnelicht te concentreren en golfgeleiders te gebruiken.

Met één kilowatt per vierkante meter van de zon, concentratiefactoren in de orde van 1, 000 maken het mogelijk om aanzienlijke hoeveelheden zonne-energie via lichtleidingen naar een aparte locatie te sturen en vervolgens om te zetten in thermische of elektrische energie. Een voorbeeld is industriële procesverwarming, waar productieprocessen zich op afstand van het zonnecollectorgebied bevinden. Lichtpijpen hebben het potentieel om optisch vermogen met een hogere efficiëntie te transporteren dan de warmteoverdrachtsvloeistofsystemen die momenteel worden gebruikt.

De volgende stappen van Madsen zullen zijn om te bepalen hoe nauwkeurig de metingen op gefabriceerde lichtpijpen en simulaties zijn, wat haar een nauwkeurig idee zal geven van de oppervlaktekwaliteit die nodig is voor een gegeven lichtpijptransmissie versus de lengte.