Dronkemanswandeling van licht in rechte banen geleid

Lichtdeeltjes die door een verstrooiend materiaal reizen, volgen een zogeheten random walk, die lijkt op een ongecoördineerde dronkemanswandeling. Het Nederlands-Amerikaanse onderzoeksteam heeft ontdekt dat in ondoorzichtige materialen zoals papier, verf of biologisch weefsel, lichtabsorptie deze dronkemanswandeling in rechte banen leidt. Dit leidt tot minder verstrooiing van het licht en dus betere beeldvorming in ondoorzichtige materialen. De vondst lijkt contra-intuïtief: normaal gesproken is lichtabsorptie nadelig voor de beeldvorming omdat het de intensiteit van het zichtbare beeld vermindert.

Van chaotisch pad naar rechte lijnen

Zonder absorptie raken lichtdeeltjes (fotonen) die door een ondoorzichtig medium reizen herhaaldelijk van het rechte pad door onregelmatigheden in het materiaal. Deze verstrooiing zorgt ervoor dat de fotonen in willekeurige richtingen gaan bewegen. Het is daardoor moeilijk om deze fotonen voor beeldvorming te gebruiken. Hun oorspronkelijke ruimtelijke oriëntatie, en daarmee de duidelijkheid van het beeld dat ze gezamenlijk vormen, is geleidelijk verloren gegaan in het materiaal.

Licht gedraagt zich ook als een golf, en vertoont daardoor interferentie. Dat betekent dat lichtgolven die langs verschillende paden reizen elkaar kunnen versterken of uitdoven. Deze interferentie tussen lange en korte lichtpaden in het materiaal maakt het moeilijk om nog informatie uit het uitgezonden licht te achterhalen.

Als het materiaal echter voldoende licht absorbeert, wordt de interferentie onderdrukt. Dankzij een numerieke analyse ontdekten de wetenschappers van Twente en Yale dat lange, meanderende lichtpaden veel meer onderdrukt raken dan korte rechte paden. Daardoor blijven de rechte paden van het licht bij toenemende absorptie bestaan, terwijl het aantal lange, verstrooide paden aanzienlijk afneemt.

Beeldvorming

De vondst kan beeldvorming in ondoorzichtige materialen, zoals biologisch weefsel, verbeteren. FOM-werkgroepleider prof.dr. Allard Mosk: "Hoewel de absorptie zowel het signaal als de interferentie vermindert, lijkt het er verrassend genoeg op dat de interferentie veel sterker afneemt. Daardoor blijft er voldoende signaal over om een beeld te vormen door gekleurde, ondoorzichtige materialen heen."

Ook de lichtindustrie reageerde positief op de resultaten. FOM-werkgroepleider prof.dr. Willem Vos: "Dankzij onze nieuwe inzichten kan kleuromzetting in witte led’s veel efficiënter gebeuren. Hierdoor zijn er minder kostbare grondstoffen nodig, zoals zeldzame aardmaterialen."

Het onderzoek werd ondersteund door de Amerikaanse National Science Foundation, de European Research Council, de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) en Technologiestichting STW.

De onderzoekers publiceren hun werk in de gedrukte versie van Physical Review B.