非成像光学及其应用

太阳能工程理论研究的重要进展是太阳能收集极限的突破。利用非成像光学的几何矢量流理论，R.Winston小组证明了太阳能收集装置聚焦阳光的本领能够达到并超过热力学理论给出的极限。根据热力学第一二定律，任何装置都不可能使太阳光聚集到超过太阳表面温度的强度，因为如果达到这样的高温，就有可能制造一台在太阳与聚光器之间运转的热机，即一台第二类水动机。Winston曾根据相空间矢量流守恒证明阳光聚集的上限约为地球表面阳光强度的46000倍。但是如果聚能器由折射率为n的材料制成，那么集中度的上限就会增加n^2倍。集中度按n^2倍数增长是折射定律的结果，它并不违反热力学，因为此时物体辐射出的能量也与n^2形成正比，这两个因子是彼此抵消的。

获取高集中度的装置如图2所示。非成像聚能器放在一台抛物而反射镜的焦点处(实际上只用非成像降能器即可达到高集中度，此举是为减少非成像聚能器长度以降低成本），聚能器采用折射率高达1.76的蓝宝石材料制作，这种装置的最大集中度的理论极限可达140000。Winston等利用这种装置实现了高达84000的集中度，已超过了太阳表面强度的15%，从而获得了太阳系中最高的阳光强度，未达到理论极限值主要是因为测量设备对光的反射和阻碍造成的。尽管如此，比起传统的成像装置来已体现了明显的优越性，因为传统成像装置的理论集中度只达到理论极限的四分之一。

图2

2.2 高能物理与天体物理

非成像光学理论和技术的某些发展与高能物理本身就有密切的渊源关系。R.Winston等人早期关于非成像光学的研究就是从高能物理学的研究入手发展而来的。为了检测λ粒子的一种罕见的衰变中产生的电子（λ以粒子每一千次衰变中将有一次射出一个电子），则须从检测这种罕见电子衰变所产生的切伦柯大辐射入手，因此需要收集这种微弱辐射并将其传递到光电管从而记录每个电子的出现。由于这种光很弱且分布在很大的射出面积和不同的射出角度上，因此传统成像系统来收集此光会存在无法解决的困难。Winston等人就是为了解决此困难而开始非成像光学研究的，并成功地在1965年建造了第一台复合抛物面聚能器。而非成像尤学的迅速发展则是七十年代中期以后的事了。

与高能物理中的应用异曲同工的工作是在天体物理研究中，芝加一哥大学研究小组已将非成像光学装置用于天体物理研究的红外探测器卜宇宙背景探测器卫星（COBE）也依靠非成像光学装置以极高的精度测量了来自大爆炸的黑体辐射残余犹他大学的研究小组还利用作成像光学装置建造了大型切沦柯夫辐射探测器阵列中的所谓“蝇眼”阵列，用以探测和研究高能宇宙射线。

2.3 太阳能激光器

太俐能激光器是非成像光学装置所产生的高强度阳光的潜在应用之一。以色列魏茨曼研究所的研究组利用非成像装置建造的太阳能泵浦的激光器已产生出数百瓦的输出功率。目前认为，太阳能激光器有两个重要应用前景：一是在空间科学中用于卫星通讯或类似用途，其前景是不言而喻的另一个重要应用则是在地面上获得高强度的紫外线光源（如果这种装置安装在沙漠中，几乎只依靠阳光即可运行），而这样的光源则可用于销毁危险的工业废料等目的。

除了上述应用之外，还有一些应用待于开发。如人们发现人眼视网膜内视锥细胞就有着类似于复介抛物而聚能器的形状，而其使光聚集的作用机理则与作成像聚能装置相同，因此非成像光学的发展还有其暇要的仿生意义。甚至由Robert L.Holman领导的一个机构还致力于把非成像装置反过来用到迄今为止一直为成像装置所独占的光学系统中的研究上，因此，非成像光学应用的广阔前景是不言而喻的。