Naukowcy opracowali sposób wykorzystania światła laserowego do przyciągania makroskopowego obiektu. Chociaż mikroskopijne optyczne wiązki trakcyjne zostały już wcześniej zademonstrowane, jest to jeden z pierwszych przypadków, w których ciągnięcie laserowe zostało użyte na większych obiektach.
Światło zawiera zarówno energię, jak i pęd, które można wykorzystać do różnych rodzajów manipulacji optycznych, takich jak lewitacja i rotacja. Na przykład pinceta optyczna to powszechnie używane instrumenty naukowe, które wykorzystują światło laserowe do trzymania i manipulowania małymi obiektami, takimi jak atomy lub komórki. Przez ostatnie dziesięć lat naukowcy pracowali nad nowym typem manipulacji optycznej: za pomocą światło lasera stworzyć optyczną wiązkę traktorową, która mogłaby przyciągać przedmioty.
„W poprzednich badaniach siła ciągnąca światła była zbyt mała, aby pociągnąć obiekt makroskopowy” – powiedział członek zespołu badawczego Lei Wang z QingDao University of Science and Technology w Chinach. „Dzięki naszemu nowemu podejściu siła przyciągania światła ma znacznie większą amplitudę. W rzeczywistości jest o ponad trzy rzędy wielkości większe niż ciśnienie światła używane do napędzania żagla słonecznego, które wykorzystuje pęd fotonów do wywierania niewielkiej siły pchającej”.
W dzienniku Ekspresowa optyka, Wang i współpracownicy demonstrują, że makroskopowy grafen-SiO2 zaprojektowane przez nich obiekty kompozytowe mogą być wykorzystywane do laserowego ciągnięcia w środowisku rozrzedzonych gazów. W tym typie środowiska panuje ciśnienie znacznie niższe niż ciśnienie atmosferyczne.
„Nasza technika zapewnia bezkontaktowe i dalekobieżny podejście ciągnące, które może być przydatne w różnych eksperymentach naukowych” – powiedział Wang. „Środowisko rozrzedzonego gazu, którego użyliśmy do zademonstrowania tej techniki, jest podobne do tego, które znajdujemy na Marsie. Dlatego może mieć potencjał, by pewnego dnia manipulować pojazdami lub samolotami na Marsie”.
Tworzenie wystarczającej siły
W nowej pracy naukowcy zaprojektowali specjalny grafen-SiO2 struktura kompozytowa specjalnie do ciągnięcia laserowego. Po naświetleniu laserem struktura tworzy odwróconą różnicę temperatur, co oznacza, że strona odwrócona od lasera nagrzewa się.
Kiedy obiekty wykonane z grafenu-SiO2 struktura kompozytowa jest napromieniowana przez a Wiązka laserowa, cząsteczki gazu po ich tylnej stronie otrzymują więcej energii i popychają obiekt w kierunku źródła światła. Połączenie tego z niskim ciśnieniem powietrza w rozrzedzonym środowisku gazowym pozwoliło naukowcom uzyskać siłę ciągnącą lasera wystarczającą do poruszania się obiekty makroskopowe.
Używając skrętnego lub obracającego się urządzenia wahadłowego wykonanego z ich grafenu-SiO2 strukturze kompozytu, naukowcy zademonstrowali zjawisko ciągnięcia lasera w sposób widoczny gołym okiem. Następnie użyli tradycyjnego wahadła grawitacyjnego do ilościowego pomiaru siły ciągnącej lasera. Oba urządzenia miały około pięciu centymetrów długości.
Powtarzalne, regulowane ciągnięcie
„Odkryliśmy, że siła ciągnąca była o ponad trzy rzędy wielkości większa niż ciśnienie światła” – powiedział Wang. „Ponadto ciągnięcie lasera jest powtarzalne, a siłę można dostroić, zmieniając moc lasera”.
Naukowcy ostrzegają, że ta praca jest tylko dowodem słuszności koncepcji i że wiele aspektów techniki wymagałoby udoskonalenia, zanim stanie się praktyczna. Na przykład potrzebny jest systematyczny model teoretyczny, aby dokładnie przewidzieć siłę ciągnącą lasera dla danych parametrów, w tym geometrii obiektu, energii lasera i otaczających mediów. Naukowcy chcieliby również ulepszyć strategię ciągnięcia lasera, aby mogła działać w szerszym zakresie ciśnień powietrza.
„Nasza praca pokazuje, że elastyczna manipulacja światłem makroskopowego obiektu jest możliwa, gdy interakcje między światłem, obiektem i medium są dokładnie kontrolowane” – powiedział Wang. „Pokazuje również złożoność interakcji lasera z materią oraz to, że wiele zjawisk jest dalekich od zrozumienia zarówno w skali makro, jak i mikro”.
Źródło: Naukowcy tworzą optyczną wiązkę traktorową, która przyciąga makroskopowe obiekty
