作者:Grover Swartzlander 来源:《自然—光子学》 发布时间:2010-12-7 16:09:34
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新研制“光翼”可在光照下上升


在延时显微照片中,半圆小棒编制的“光翼”发生横向运动,证明在激光照射下发生了向上位移。
 
在发明第一架飞机一百多年后,科学家利用一种光学上的空气动力抬升作用,研究出一种类似于机翼的“光翼”,能在激光照射下上升。研究人员希望将来有一天,“光翼”能在外太空的真空环境运行,仅在阳光照射下就能飞行。该研究发表在12月5日的《自然—光子学》网站上。
 
光压差产生抬升
 
“这很像莱特兄弟早期所做的事情。”论文主要作者、纽约罗彻斯特技术研究院物理学家格鲁弗·斯瓦茨兰德说。光翼的工作原理跟机翼很像,都是要让一边的压力大于另一边,压力差会产生向上或向下的力量。在机翼中,机身上面的空气更快地流动,沿弧形与下面的空气汇合,由此产生了空气压力差。而在光翼中,造成压力差的不是空气而是光。
 
“辐射压力”的概念是物理学家詹姆斯·克莱克·麦克斯韦和阿道夫·巴托利19世纪末提出的理论,即光量子通过介质或被反射时,会将动量传给目标。正是由于这个原因,彗星的尾巴总是指着背向太阳的一边,是太阳光线将它们推离。
 
格罗弗和研究小组预测,辐射压力也会产生抬升的力量。根据计算机分析演示,光线在进入不同形状物体时,会产生不同的折射或反射。当光线进入一种半圆形的透明物体时,大部分入射光线就会以垂直方向反射离开,它们离开的一边就会受到最大的辐射压力,物体由此而上升。
 
在实验中,研究人员用光刻技术将半圆小棒编制成一个几微米的“光翼”,浸在水滴中,用毫瓦的激光照射从下面照射。他们发现半圆形小棒会自动扭转成一个稳定的受攻击的角度,显示出一致性的运动。在一束单一准一致光中,可以看到许多小棒组成的“光翼”被同时抬升,而且还发生水平方向的移动。这个侧向移动表明,可以通过控制光压的方向来控制目标物体的移动。
 
研究人员解释说,这和光镊不同,不需要光强梯度就能形成压力。光镊是一个特别的光场,酷似一个陷阱。以光场的中心划定一个几微米方圆的区域,造就一个势能较低的区域,一旦光子涉足这个禁区就会自动迅速坠落光的中心。当物体的动能不足以克服势垒时,粒子将始终停留在阱内。整个受到光的作用从而达到被钳的效果,然后可以通过移动光束来实现迁移物体的目的。
 
纳米力学与光学结合
 
“光翼”的一个重要应用是依靠辐射压力来控制航空工具的方向。比如美国加利福尼亚帕萨迪娜的一个公共空间组织“行星社”计划,在今年末发射一个实验性的太阳能导航航天器——光帆(LightSail)。格罗弗·斯瓦茨兰德表示,借助这一发明,将来可能仅靠太阳光线就能为“光翼”飞行器提供动力。未来在太空探索中,就有可能仅依靠太阳光驱动飞行。此外,还可以在不易采用常规动力的微观环境中用“光翼”为极小的器械提供动力。
 
对于最新应用,加利福尼亚理工大学研究纳米光学与机械系统的物理学家马特·艾琴菲尔德认为,如果抬升可以用于任何透明物体,该技术的研究就更有意义。反过来考虑问题的话,我们可以改变激光束的形状,而不一定是物体的形状。“光翼”的概念也能用于微观机械力学,或液体中的粒子运动。他说:“这会产生很有趣的效果。把纳米力学的研究领域和光学相结合也变得更重要。在研究中,我们会再次看到研究展现出的最简单现象。”(来源:科技日报 常丽君)
 
更多阅读
 
《自然—光子学》发表论文摘要(英文)
 
 
 
 
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