Ottiche con indice graduato a immersione: teoria, progettazione e prototipi

Microsistemi e nanoingegneria volume 8, numero articolo: 69 (2022) Citare questo articolo

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L'ottica ad immersione consente la creazione di sistemi con concentrazione e accoppiamento ottici migliorati sfruttando il fatto che la luminanza della luce è proporzionale al quadrato dell'indice di rifrazione in un sistema ottico senza perdite. I concentratori ottici ad indice graduato ad immersione, che non necessitano di tracciare la sorgente, sono descritti in termini di teoria, simulazioni ed esperimenti. Introduciamo un'equazione guida alla progettazione generalizzata che segue la funzione di Pareto e può essere utilizzata per creare varie ottiche con indice graduato di immersione a seconda dei requisiti applicativi di concentrazione, indice di rifrazione, altezza ed efficienza. Presentiamo tecniche di fabbricazione di vetro e polimeri per la creazione di materiali con indice graduato trasparente a banda larga con ampi intervalli di indice di rifrazione, (rapporto dell'indice di rifrazione)2 di ~2, andando molto oltre ciò che si vede in natura o nell'industria ottica. I prototipi dimostrano una concentrazione ottica 3x con un'efficienza superiore al 90%. Riportiamo tramite prototipi funzionali che i concentratori di lenti a indice graduato funzionano vicino al limite massimo teorico e introduciamo tecniche di fabbricazione semplici, economiche, flessibili dal punto di vista del design e scalabili per la loro implementazione.

Sfruttare l’abbondante energia solare che raggiunge la terra tramite il fotovoltaico svolgerà un ruolo importante nel soddisfare i nostri futuri bisogni energetici in modo sostenibile. Un approccio promettente è il fotovoltaico concentrato1 e nel campo vengono utilizzati diversi modi per raggiungere la concentrazione2,3: lenti di Fresnel4,5, specchi6,7, concentratori parabolici8,9, ottica secondaria ad alto indice10, guide d'onda11,12,13, lenti a immersione14 , nanostrutturazione superficiale15. La maggior parte di questi richiedono l'inseguimento attivo del Sole poiché devono essere rivolti verso la sorgente luminosa entro pochi gradi. Alcuni di questi sono concentratori passivi, cioè non necessitano di inseguire il Sole, tuttavia offrono comunque angoli di accettazione modesti che non coprono i 2π steradianti disponibili. Presentiamo un dispositivo concentratore passivo, AGILE (Axially Graded Index LEns)16. D'ora in poi, questo concentratore ottico con indice graduato ad immersione è scritto come AGILE nel manoscritto. AGILE non necessita dell'inseguimento solare e segue il limite massimo della proiezione del coseno, concentrando la luce incidente su di esso da tutte le angolazioni.

AGILE consente sistemi di concentrazione non puntati (ovvero, eliminando la necessità di inseguire il Sole) che riducono la quantità di materiale fotovoltaico (PV) richiesto ma assorbono anche in modo efficiente la luce diffusa. La dispersione della luce è presente a causa della copertura nuvolosa e dell'atmosfera; e la luce diffusa può raggiungere il 20% anche in una giornata soleggiata17. La Figura 1a illustra come la luce viene concentrata nel concentratore AGILE. I raggi luminosi incidenti dagli interi 2π steradianti entrano nell'apertura maggiore con indice di rifrazione (RI) pari a 1, curvano verso la normale tramite rifrazione lungo l'altezza del cono nel gradiente assiale RI, si riflettono dalle pareti laterali e raggiungono l'apertura di uscita più piccola con RI elevato, ad esempio silicio con RI ~ 3,5, senza necessità di inseguire la sorgente luminosa. La Figura 1c raffigura il sistema di array di concentratori AGILE, costituito dall'unità ripetuta mostrata in Fig. 1b, che assorbe tutta la luce incidente e quindi appare scura. Il video clip del sistema di array AGILE è allegato nel materiale supplementare. In questo video, l'AGILE non ha pareti laterali riflettenti metalliche in modo da poter visualizzare il materiale dell'indice graduato. AGILE consente antiriflesso e accoppiamento quasi perfetti, incapsulamento, spazio per circuiti e raffreddamento e design conforme. Queste ottiche con indice graduato a immersione possono anche realizzare applicazioni in aree come la gestione della luce nell'illuminazione a stato solido, accoppiatori laser, tecnologia di visualizzazione ecc.

a Rappresentazione dell'azione di concentrazione ottica, b unità ripetitiva di AGILE, c array di concentratori con antiriflesso e incapsulamento integrati, senza necessità di tracciare la sorgente, e celle fotovoltaiche spazialmente separate che presentano i vantaggi di un ridotto utilizzo di materiale fotovoltaico, quindi una minore costo con spazio per il raffreddamento e i circuiti.