Оптический лифт

Оптический подъемник — оптический аналог аэродинамического подъема , в котором выпуклый преломляющий объект с верхней и нижней поверхностями разной формы испытывает стабильную поперечную подъемную силу, когда его помещают в однородный поток света . ^{[ 1 ]}

Открытие

Способность света оказывать давление на объекты известна как радиационное давление , которое было впервые постулировано в 1619 году и доказано в 1900 году. Это принцип, лежащий в основе солнечного паруса , который использует давление светового излучения для перемещения в пространстве . Исследование, проведенное в 2010 году физиком Гровером Шварцландером и его коллегами из Рочестерского технологического института в Рочестере, штат Нью-Йорк, показывает, что свет также способен создавать более сложную силу « подъемной силы », которая представляет собой силу, создаваемую аэродинамическими профилями , которые заставляют самолет подниматься вверх, когда он движется вперед. Это исследование было опубликовано в декабре 2010 года в журнале Nature Photonics . Шварцлендер предсказал, наблюдал и экспериментально подтвердил в масштабе микрометра, что при воздействии луча лазерного света на полуцилиндрический преломляющий стержень он автоматически поворачивается до стабильного угла атаки , а затем демонстрирует равномерное движение . ^{[ 1 ]}

Эксперимент начался с компьютерных моделей , которые предполагали, что когда свет падает на крошечный объект, имеющий форму крыла , к частице прикладывается стабильная подъемная сила. Затем исследователи решили провести физические эксперименты в лаборатории и создали крошечные прозрачные стержни микрометрового размера, плоские с одной стороны и закругленные с другой, напоминающие крылья самолета. Они погрузили световые фольги в воду и бомбардировали их инфракрасным лазерным светом мощностью 130 мВт из-под камеры. Давление излучения толкает частицы по направлению распространения, это называется силой рассеяния , но возбуждение наступает тогда, когда частицы отталкиваются в сторону в направлении, перпендикулярном направлению распространения света. Поперечная сила, действующая на частицы, является подъемной силой. Исследователи обнаружили не только то, что стержни испытывают стабильную подъемную силу, но и то, что, в зависимости от показателя преломления, стержень может иметь до двух стабильных углов атаки, на которые он поворачивается под воздействием лазерного света. Испытанные симметричные сферы не продемонстрировали такого же подъемного эффекта. ^{[ 2 ]}

В оптическом лифте, создаваемом «световой фольгой», лифт создается внутри прозрачного объекта, поскольку свет проходит через него и преломляется его внутренними поверхностями. В стержнях из световой фольги большая часть света уходит в направлении, перпендикулярном лучу, и поэтому эта сторона испытывает большее радиационное давление и, следовательно, подъемную силу. ^{[ 2 ]}

Возможное использование

Открытие стабильного оптического подъема в 2010 году некоторые физики считают «самым удивительным». ^{[ 3 ]} В отличие от оптических пинцетов , для достижения поперечной силы не требуется градиент интенсивности. Таким образом, множество стержней можно поднять одновременно в одном квазиоднородном луче света. Шварцлендер и его команда предлагают использовать оптический лифт для питания микромашин, транспортировки микроскопических частиц в жидкости или для самовыравнивания и управления солнечными парусами . ^{[ 3 ]} форма двигательной установки космического корабля для межзвездных космических путешествий. Солнечные паруса обычно предназначены для использования света для «толкания» космического корабля, тогда как Шварцлендер спроектировал свой световой профиль так, чтобы он поднимался в перпендикулярном направлении; именно здесь может быть применена идея возможности управлять будущим космическим кораблем с солнечным парусом. ^{[ 4 ]}

Шварцландер сказал, что следующим шагом будет тестирование световых фольг на воздухе и эксперименты с различными материалами с разными преломляющими свойствами, а также с некогерентным светом. ^{[ 2 ]}

См. также

Аэродинамический лифт
ИКАРОС – (Межпланетный воздушный змей, ускоряемый солнечным излучением)
Лазерное движение
Оптическая сила
Солнечный парус

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Шварцландер-младший, Гровер А.; Тимоти Дж. Петерсон; Александра Б. Артузио-Глимпс и Алан Д. Райсанен (5 декабря 2010 г.). «Стабильный оптический лифт» Природная фотоника . 5 (1): 48–51. Бибкод : 2011NaPho...5... 48S дои : 10.1038/nphoton.2010.266 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Эдвардс, Лин (7 декабря 2010 г.). «Впервые продемонстрирован оптический лифтинг» . Физорг . Проверено 9 декабря 2010 г.
^ Jump up to: ^а ^б Палмер, Джейсон (8 декабря 2010 г.). « Идея «световой фольги» показывает, что свет может обеспечить подъемную силу» . Новости Би-би-си . Проверено 8 декабря 2010 г.
^ Каку, Мичио (7 декабря 2010 г.). «Оптический подъемник может позволить нам управлять космическими кораблями с солнечным парусом [ sic ] и наноустройствами» . Большое Думай . Проверено 8 декабря 2010 г.

Внешние ссылки

Видео: Впервые продемонстрирован оптический лифтинг

[Nature_Photonics-1] Jump up to: ^а ^б Шварцландер-младший, Гровер А.; Тимоти Дж. Петерсон; Александра Б. Артузио-Глимпс и Алан Д. Райсанен (5 декабря 2010 г.). «Стабильный оптический лифт» Природная фотоника . 5 (1): 48–51. Бибкод : 2011NaPho...5... 48S дои : 10.1038/nphoton.2010.266 .

[Physorg-2] Jump up to: ^а ^б ^с Эдвардс, Лин (7 декабря 2010 г.). «Впервые продемонстрирован оптический лифтинг» . Физорг . Проверено 9 декабря 2010 г.

[BBC-3] Jump up to: ^а ^б Палмер, Джейсон (8 декабря 2010 г.). « Идея «световой фольги» показывает, что свет может обеспечить подъемную силу» . Новости Би-би-си . Проверено 8 декабря 2010 г.

[Kaku-4] Каку, Мичио (7 декабря 2010 г.). «Оптический подъемник может позволить нам управлять космическими кораблями с солнечным парусом [ sic ] и наноустройствами» . Большое Думай . Проверено 8 декабря 2010 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]