Figure 1. Un matériau opaque qui est illuminé par un faisceau laser (vert) dont les fronts d'onde sont mis en forme spatialement. Une partie de la lumière incidente façonnée est focalisée sur la surface arrière du support opaque, et une partie de la lumière est dispersée de manière aléatoire dans un fond diffus environnant. Des nanosphères fluorescentes isolées (points rouges) servent à « rapporter » la densité d'énergie de la lumière verte via l'intensité rouge qui est collectée dans l'expérience de Twente. Crédit :Université de Twente
Tout comme les joyeux gens à une fête, les photons effectuent des promenades aléatoires à travers la peinture blanche ; mais leur densité restait hors de contrôle. Récemment, des scientifiques de l'Université de Twente aux Pays-Bas ont réussi à contrôler la densité d'énergie des photons à l'intérieur de matériaux opaques tels que la peinture blanche.
En combinant des nanosphères fluorescentes isolées à l'intérieur de la peinture blanche en tant que "reporters" avec une mise en forme avancée du front d'onde de la lumière incidente, les chercheurs observent que la densité d'énergie des photons dans la peinture est grandement améliorée, en excellent accord avec une nouvelle théorie.
Les résultats trouvent des applications dans l'éclairage, cellules solaires, optique biomédicale et lasers aléatoires, et sont publiés en juillet dans la revue à fort impact de l'Optical Society (OSA) Optique dans un article intitulé "Densité d'énergie optique résolue spatialement en 3D améliorée par la mise en forme du front d'onde".
Lorsqu'un flux constant de photons dans un faisceau laser brille sur un matériau opaque tel que de la peinture blanche, poudre, neiger, ou tissu biologique, les particules disposées de manière aléatoire dans le matériau diffusent les photons de manière aléatoire. A l'intérieur de la matière, les photons effectuent une marche aléatoire, semblable à un joyeux, légèrement ivre, personne qui essaie d'atteindre l'autre côté de la fête.
D'où, seuls quelques photons sont transmis à travers le matériau opaque, et la plupart de la lumière incidente est réfléchie. C'est la raison pour laquelle la neige est d'un blanc éclatant :la plupart des photons provenant du soleil sont réfléchis.
Les photons qui effectuent des marches aléatoires à l'intérieur de la peinture blanche ont une densité assez faible qui diminue progressivement d'un maximum près de la surface avant vers la surface arrière. Pour obtenir une conversion d'énergie efficace pour des applications telles que l'éclairage à semi-conducteurs, cellules solaires, optique biomédicale, et lasers aléatoires, cependant, autant de photons que possible doivent aller vers des emplacements ciblés au plus profond d'un milieu de diffusion, en d'autres termes :"autant de gens joyeux que possible devraient se rassembler sur le lieu de la fête."
Figure 2. Renforcement différentiel de fluorescence sondé par des nanosphères à différentes profondeurs z, tout en façonnant le front d'onde incident de la lumière pour atteindre une cible focalisée à la surface arrière de l'échantillon (comparer la Fig. 1). Le rehaussement augmente avec la profondeur z, ce qui signifie que les photons ont une densité beaucoup plus grande beaucoup plus profondément à l'intérieur de la peinture blanche 3D. Crédit :Université de Twente
Sans connaissance détaillée de la structure tridimensionnelle (3D) très complexe de la peinture blanche, il semble impossible de contrôler la densité 3D des photons à l'intérieur du matériau. Cependant, l'équipe de Twente a réussi à résoudre ce problème en utilisant des méthodes avancées récemment développées dans lesquelles le front d'onde de la lumière incidente est mis en forme spatialement, voir la figure 1.
La méthode de Twente repose sur la prise de conscience qu'un milieu de diffusion a des milliers de canaux de transmission. Remarquablement, des canaux hautement émetteurs existent parmi tous les canaux. La lumière est sélectivement couplée à ces canaux hautement transmetteurs lorsqu'une mise au point optimisée est effectuée sur la surface arrière de la peinture en façonnant spatialement le front d'onde de la lumière incidente.
Alors que la relation entrée-sortie de la lumière peut être facilement détectée, la densité d'énergie optique interne reste inconnue. Le professeur Willem Vos explique :« Dit généralement, nous soupçonnions déjà que nous pouvions convaincre de nombreuses personnes joyeuses (photons) de se joindre à une fête à l'intérieur de la peinture blanche. Mais on ne savait pas encore à quoi ressemblait la fête, car vous ne pouvez pas regarder à l'intérieur d'un matériau opaque. Et nous ne savions pas non plus combien de personnes pouvaient nous rejoindre."
Pour résoudre ce problème, l'équipe de Twente utilise des nanosphères fluorescentes isolées dispersées dans la peinture blanche comme particules de signalement. Le tridimensionnel (x, oui, La position z) de chaque nanoparticule est obtenue grâce au motif d'intensité de fluorescence à la surface arrière. Simultanément, l'amélioration de la densité d'énergie est révélée en balayant l'amélioration de l'intensité de fluorescence totale.
Avec une seule petite nanosphère à la fois, l'équipe de Twente a dû faire des observations minutieusement longues pour collecter une fluorescence suffisante. Finalement, une forte augmentation de la densité d'énergie dépendant de la position a été observée, qui s'accorde très bien avec une théorie nouvellement développée. L'équipe a réussi non seulement à observer l'amélioration de l'énergie par rapport à la profondeur, comme le montre la figure 2, mais également par rapport à la position latérale.
Vos dit, « Ces résultats sont une excellente nouvelle pour de nombreuses applications liées à la conversion d'énergie optique dans des matériaux opaques de type peinture blanche. Nous disposons désormais d'un outil pour littéralement « agiter » la lumière à travers la peinture blanche pour aboutir aux emplacements souhaités. Par exemple, on peut maintenant contrôler la blancheur d'une LED blanche, en optimisant la lumière blanche chaude ou froide. Et ceci est reçu avec un grand intérêt par nos collègues de l'industrie de l'éclairage."
