Иммерсионная индексная оптика: теория, конструкция и прототипы

Микросистемы и наноинженерия, том 8, Номер статьи: 69 (2022) Цитировать эту статью

15 тысяч доступов

2 цитаты

276 Альтметрика

Подробности о метриках

Иммерсионная оптика позволяет создавать системы с улучшенной оптической концентрацией и связью, используя тот факт, что яркость света пропорциональна квадрату показателя преломления в оптической системе без потерь. Оптические концентраторы с градуированным иммерсионным индексом, которым не нужно отслеживать источник, описываются с точки зрения теории, моделирования и экспериментов. Мы вводим обобщенное уравнение проектирования, которое следует функции Парето и может использоваться для создания различной иммерсионной оптики с градуированным показателем преломления в зависимости от требований применения к концентрации, показателю преломления, высоте и эффективности. Мы представляем методы изготовления стекла и полимеров для создания широкополосных прозрачных материалов с градуированным показателем преломления с большими диапазонами показателей преломления (коэффициент преломления)2 ~ 2, что во много раз превосходит то, что наблюдается в природе или оптической промышленности. Прототипы демонстрируют трехкратную оптическую концентрацию с эффективностью более 90%. С помощью функциональных прототипов мы сообщаем, что концентраторы с градиентными линзами работают близко к теоретическому максимальному пределу, и представляем простые, недорогие, гибкие и масштабируемые технологии изготовления для их реализации.

Использование обильной солнечной энергии, достигающей Земли посредством фотоэлектрических систем, сыграет важную роль в устойчивом удовлетворении наших будущих потребностей в энергии. Одним из многообещающих подходов является концентрированная фотоэлектрическая энергия1, и в этой области используется несколько способов достижения концентрации2,3: линзы Френеля4,5, зеркала6,7, параболические концентраторы8,9, вторичная оптика с высоким коэффициентом преломления10, волноводы11,12,13, иммерсионные линзы14. , нанотекстурирование поверхности15. Большинству из них требуется активное отслеживание Солнца, поскольку они должны быть обращены к источнику света в пределах нескольких градусов. Некоторые из вышеперечисленных являются пассивными концентраторами, т. е. им не нужно отслеживать Солнце, однако они по-прежнему предлагают скромные углы приема, которые не охватывают доступные 2π стерадианы. Мы представляем пассивный концентратор AGILE (Lens с осевым градиентом)16. Отныне этот оптический концентратор с градуированным индексом погружения в рукописи обозначается как AGILE. AGILE не требует отслеживания солнечной активности и следует максимальному пределу косинусной проекции, концентрируя свет, падающий на нее со всех сторон.

AGILE позволяет использовать системы концентрации без наведения (т. е. без необходимости отслеживать Солнце), которые уменьшают количество требуемого фотоэлектрического (PV) материала, но также эффективно поглощают рассеянный свет. Рассеяние света присутствует из-за облачности и атмосферы; а рассеянный свет может достигать 20% даже в солнечный день17. На рисунке 1а показано, как концентрируется свет в концентраторе AGILE. Лучи света, падающие от всех 2π стерадианов, входят в большую апертуру с показателем преломления (RI) равным 1, изгибаются к нормали за счет преломления по высоте конуса в осевом градиенте RI, отражаются от боковых стенок и достигают меньшей выходной апертуры. с высоким RI, например кремний с RI ~ 3,5, без необходимости отслеживания источника света. На рисунке 1c изображена система массивов концентраторов AGILE, состоящая из повторяющегося блока, показанного на рисунке 1b, который поглощает весь падающий свет и, следовательно, кажется темным. Видеоролик массива AGILE прикреплен в дополнительном материале. В этом видео AGILE не имеет металлических отражающих боковин, поэтому можно визуализировать материал с градиентным показателем преломления. AGILE обеспечивает почти идеальное просветление и связь, инкапсуляцию, пространство для схем и охлаждения, а также конформную конструкцию. Эта иммерсионная индексная оптика также может применяться в таких областях, как управление светом в твердотельном освещении, лазерные соединители, технологии отображения и т. д.

a Изображение действия оптической концентрации, b повторяющийся блок AGILE, c массивы концентраторов со встроенным просветлением и инкапсуляцией, отсутствие необходимости в отслеживании источника и пространственно разделенные фотоэлектрические элементы, которые имеют преимущества меньшего использования фотоэлектрических материалов и, следовательно, более низких стоимость с учетом места для охлаждения и схемы.