研究人员设想、设计并测试了一种优雅的透镜装置，它可以有效地从各个角度收集光线，并将其集中在固定的输出位置。这些渐变折射率光学器件还可应用于固态照明中的光管理、激光耦合器以及提高耦合和分辨率的显示技术等领域。
尽管太阳能技术不断取得令人印象深刻的进步，但问题仍然存在：我们如何有效地从日出到日落的不同角度收集阳光中的能量？
当阳光直接照射到太阳能电池板时，太阳能电池板工作得最好。为了捕获尽可能多的能量，许多太阳能电池阵列在太阳在天空中移动时都会主动朝着太阳旋转。这使得它们的效率更高，但与固定系统相比，构建和维护成本更高，也更复杂。
将来可能不需要这些主动系统。斯坦福大学的工程研究员尼娜·瓦迪亚设计了一种优雅的装置，可以有效地收集和集中落在上面的光线，而不管光线的角度和频率如何。维迪亚和她的博士生导师、斯坦福大学电气工程教授奥拉夫·索尔加德（OlavSolgaard）共同撰写的《微系统与纳米工程》（Microsystems&Nanoengineering）7月刊的封面故事是一篇描述系统性能及其背后理论的论文。
“这是一个完全被动的系统鈥攊瓦迪亚现在是英国南安普顿大学助理教授，他说：“t不需要能量来追踪来源，也不需要任何运动部件。”没有移动位置的光学聚焦或跟踪系统的需要，聚光变得简单得多。"
研究人员称之为敏捷的设备鈥攁n轴向渐变折射率透镜的首字母缩略词鈥攊这看起来很简单。它看起来像一个倒金字塔，尖头被砍掉了。光线从任意角度进入方形、可平铺的顶部，然后向下汇聚，在输出端形成更亮的光斑。
在他们的原型中，研究人员能够捕捉到撞击表面的90%以上的光，并在输出处形成比入射光亮三倍的光斑。安装在太阳能电池顶部的一层中，它们可以提高太阳能电池阵列的效率，不仅可以捕捉直射阳光，还可以捕捉被地球大气层、天气和季节散射的漫射光。
敏捷的顶层可以取代现有的保护太阳能电池阵列的封装，消除跟踪太阳的需要，为冷却和电路创造空间，以便在各个设备的狭窄金字塔之间运行，最重要的是，减少产生能量所需的太阳能电池面积鈥攁从而降低成本。而且其用途并不局限于地面太阳能装置：如果应用于发射到太空的太阳能电池阵列，敏捷层既可以在不跟踪太阳的情况下集中光线，又可以提供必要的辐射防护。
设想完美的敏捷
敏捷背后的基本前提类似于在阳光明媚的日子使用放大镜在树叶上烧斑。放大镜的透镜将太阳光线聚焦到一个更小、更亮的点上。但通过放大镜，焦点会像太阳一样移动。Vaidya和Solgaard找到了一种方法来制造一种透镜，这种透镜可以从各个角度接收光线，但总是将光线集中在相同的输出位置。
瓦迪亚说：“我们想创造一种能够吸收光线并将其集中在同一位置的东西，即使光源改变方向。”。“我们不想一直移动探测器或太阳能电池，也不想让系统面对光源。”
Vaidya和Solgaard确定，从理论上讲，可以使用折射率平滑增加的工程材料收集和集中散射光鈥攁 描述光在材质中传播速度的属性鈥攃a使光线向焦点弯曲和弯曲。在材料表面，光线几乎不会弯曲。当它到达另一边时，它将几乎是垂直的和集中的。
“最好的解决方案往往是最简单的想法。一个理想的敏捷在其最前端具有与空气相同的折射率，并且它会逐渐变高鈥攖他把光线弯曲成一条非常平滑的曲线，”索尔加德说但在实际情况下，你不会有理想的敏捷。"
从理论到现实
对于原型，研究人员将不同的玻璃和聚合物分层，使光线发生不同程度的弯曲，形成所谓的梯度折射率材料。这些图层以步长而不是平滑的曲线改变光线的方向，研究人员发现这是理想敏捷的一个很好的近似。原型的侧面是镜像的，因此任何方向错误的灯光都会反弹回输出。
瓦迪亚说，最大的挑战之一是找到和创造合适的材料。AGILE原型中的材料层可以让从近紫外到红外的广谱光通过，并将这些光越来越多地弯曲到折射率范围很广的输出端，这在自然界或当前的光学行业中是看不到的。使用的这些材料也必须相互兼容鈥攊如果一个玻璃对热量的反应速度与另一个不同，则整个装置可能会破裂鈥攁nd坚固耐用，可加工成型并保持耐用。
瓦迪亚说：“这是一次‘登月’工程冒险，从理论到实际原型都是如此。”。“有很多理论论文和伟大的想法，但很难将它们变成现实，因为真正的设计和真正的材料超越了以前认为不可能的界限。”
在探索了许多材料，创造了新的制造技术，并测试了多个原型之后，研究人员找到了使用商用聚合物和玻璃的敏捷设计。在作者之前的工作中，AGILE还使用3D打印技术制造，该工作创造了具有纳米级表面粗糙度的轻质柔性聚合物透镜。维迪亚希望这些敏捷设计能够应用于太阳能行业和其他领域。AGILE在激光耦合、显示技术和照明等领域有几个潜在的应用鈥攕例如固态照明，它比旧的照明方法更节能。
“利用我们的努力和知识制造有意义的工程系统一直是我的动力，即使有些试验没有成功，”瓦迪亚说。“能够使用这些新材料、新制造技术和这种新的敏捷概念来制造更好的太阳能集中器是非常有益的。丰富且价格合理的清洁能源是应对紧迫的气候和可持续性挑战的重要组成部分，我们需要促进工程解决方案，使之成为现实。”