침수 등급 굴절 광학: 이론, 설계 및 프로토타입

마이크로시스템 및 나노공학 8권, 기사 번호: 69(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

침적 광학은 무손실 광학 시스템에서 빛의 휘도가 굴절률의 제곱에 비례한다는 사실을 활용하여 향상된 광학 농도 및 결합을 갖춘 시스템을 생성할 수 있습니다. 광원을 추적할 필요가 없는 침지형 굴절률 집광 장치를 이론, 시뮬레이션 및 실험 측면에서 설명합니다. Pareto 함수를 따르고 농도, 굴절률, 높이 및 효율성의 적용 요구 사항에 따라 다양한 침지 등급 굴절 광학 장치를 만드는 데 사용할 수 있는 일반화된 설계 지침 방정식을 소개합니다. 우리는 자연이나 광학 산업에서 볼 수 있는 것보다 몇 배나 더 큰 굴절률 범위(굴절률 비율)2 ~2를 갖는 광대역 투명 등급 굴절률 재료를 만들기 위한 유리 및 폴리머 제조 기술을 제시합니다. 프로토타입은 90% 이상의 효율성으로 3배의 광학 농도를 보여줍니다. 우리는 등급 굴절률 렌즈 집중 ​​장치가 이론적 최대 한계에 가깝게 수행된다는 기능적 프로토타입을 통해 보고하고 구현을 위해 간단하고 저렴하며 설계 유연성이 있고 확장 가능한 제조 기술을 소개합니다.

광전지를 통해 지구에 도달하는 풍부한 태양 에너지를 활용하는 것은 지속 가능한 방식으로 미래의 에너지 요구를 충족시키는 데 중요한 역할을 할 것입니다. 한 가지 유망한 접근 방식은 집중형 광전지1이며, 집중을 달성하기 위한 여러 가지 방법이 현장에서 사용되고 있습니다2,3- 프레넬 렌즈4,5, 거울6,7, 포물선 집광기8,9, 2차 고굴절 광학 장치10, 도파관11,12,13, 침지 렌즈14 , 표면 나노텍스처링15. 이들 중 대부분은 몇 도 내에서 광원을 향해야 하기 때문에 태양을 적극적으로 추적해야 합니다. 위의 것 중 일부는 수동 집중 장치입니다. 즉, 태양을 추적할 필요는 없지만 여전히 사용 가능한 2π 스테라디안을 넘지 않는 적당한 수용 각도를 제공합니다. 우리는 수동 집중 장치인 AGILE(Axially Graded Index LEns)16을 제시합니다. 이후 이 침지 등급 인덱스 광학 집중 장치는 원고에 AGILE로 기록됩니다. AGILE은 태양 추적이 필요하지 않으며 코사인 투영 최대 제한을 따르며 모든 각도에서 입사되는 빛을 집중시킵니다.

AGILE은 필요한 광전지(PV) 재료의 양을 줄이면서도 확산광을 효율적으로 흡수하는 비지시형(즉, 태양을 추적할 필요성 제거) 집중 시스템을 허용합니다. 구름과 대기로 인해 빛의 산란이 존재합니다. 그리고 산란광은 화창한 날에도 20%까지 높아질 수 있습니다17. 그림 1a는 AGILE 집광기에서 빛이 어떻게 집중되는지 보여줍니다. 전체 2π 스테라디안에서 입사된 광선은 굴절률(RI)이 1인 더 큰 조리개로 들어가고, 축 구배 RI에서 원뿔 높이를 따라 굴절을 통해 법선 쪽으로 곡선을 이루고 측벽에서 반사되어 더 작은 출력 조리개에 도달합니다. RI가 높은 경우(예: RI ~ 3.5인 실리콘) 광원을 추적할 필요가 없습니다. 그림 1c는 모든 입사광을 흡수하여 어둡게 보이는 그림 1b에 표시된 반복 장치로 구성된 AGILE 집중 장치 어레이 시스템을 보여줍니다. AGILE 어레이 시스템의 비디오 클립은 보충 자료에 첨부되어 있습니다. 이 영상에서 AGILE에는 등급화된 인덱스 소재를 시각화할 수 있도록 금속 반사 측벽이 없습니다. AGILE은 거의 완벽한 반사 방지 및 결합, 캡슐화, 회로 및 냉각을 위한 공간, 등각 설계를 가능하게 합니다. 이러한 침지 등급 인덱스 광학은 고체 조명, 레이저 커플러, 디스플레이 기술 등의 조명 관리와 같은 분야의 응용 분야도 실현할 수 있습니다.

a 광학적 집중 작용 묘사, b AGILE의 반복 단위, c 반사 방지 및 캡슐화가 내장된 집광기 어레이, 소스 추적이 필요 없음, 공간적으로 분리된 PV 셀은 PV 재료 사용을 줄여서 더 낮은 장점을 가지고 있습니다. 냉각 및 회로를 위한 공간이 필요합니다.