Forskare har utvecklat ett sätt att använda laserljus för att dra ett makroskopiskt föremål. Även om mikroskopiska optiska traktorstrålar har demonstrerats tidigare, är detta en av de första gångerna som laserdragning har använts på större föremål.
Ljus innehåller både energi och momentum som kan användas för olika typer av optisk manipulation såsom levitation och rotation. Optisk pincett, till exempel, är vanligt förekommande vetenskapliga instrument som använder laserljus för att hålla och manipulera små föremål som atomer eller celler. Under de senaste tio åren har forskare arbetat med en ny typ av optisk manipulation: att använda Laser ljus att skapa en optisk traktorstråle som kan dra föremål.
"I tidigare studier var ljusets dragkraft för liten för att dra ett makroskopiskt objekt", säger forskargruppsmedlem Lei Wang från QingDao University of Science and Technology i Kina. "Med vårt nya tillvägagångssätt har den lätta dragkraften en mycket större amplitud. Faktum är att det är mer än tre storleksordningar större än det lätta trycket som används för att driva ett solsegel, som använder fotonernas rörelsemängd för att utöva en liten tryckkraft."
I tidskriften Optik Express, Wang och kollegor visar att makroskopisk grafen-SiO2 kompositföremål som de designat kan användas för laserdragning i en miljö med försåld gas. Denna typ av miljö har ett tryck som är mycket lägre än atmosfärstrycket.
”Vår teknik ger en beröringsfri och långväga dra tillvägagångssätt, vilket kan vara användbart för olika vetenskapliga experiment, säger Wang. "Den sällsynta gasmiljön vi använde för att demonstrera tekniken liknar den som finns på Mars. Därför kan det ha potential att en dag manipulera fordon eller flygplan på Mars."
Skapar tillräckligt med kraft
I det nya arbetet designade forskarna en speciell grafen-SiO2 kompositstruktur speciellt för laserdragning. När den bestrålas med laser skapar strukturen en omvänd temperaturskillnad, vilket innebär att sidan som är vänd bort från lasern blir varmare.
När föremål tillverkade av grafen-SiO2 kompositstrukturen bestrålas av en laserstråle, gasmolekyler på baksidan får mer energi och trycker föremålet mot ljuskällan. Genom att kombinera detta med det låga lufttrycket i en miljö med rarifierad gas kunde forskarna få en laserdragkraft som är stark nog att röra sig makroskopiska föremål.
Med hjälp av en vridnings-eller vridande pendelanordning gjord av deras grafen-SiO2 sammansatt struktur visade forskarna laserdragningsfenomenet på ett sätt som var synligt för blotta ögat. De använde sedan en traditionell gravitationspendel för att kvantitativt mäta laserns dragkraft. Båda enheterna var cirka fem centimeter långa.
Repeterbar, avstämbar dragning
"Vi fann att dragkraften var mer än tre storleksordningar större än lätttrycket," sa Wang. "Dessutom är laserdragningen repeterbar, och kraften kan ställas in genom att ändra lasereffekten."
Forskarna varnar för att detta arbete bara är ett bevis på konceptet och att många aspekter av tekniken skulle behöva förbättras innan det skulle vara praktiskt. Till exempel behövs en systematisk teoretisk modell för att exakt förutsäga laserdragkraften för givna parametrar inklusive objektets geometri, laserenergi och omgivande media. Forskarna skulle också vilja förbättra laserdragningsstrategin så att den kan fungera för ett bredare spektrum av lufttryck.
"Vårt arbete visar att flexibel ljusmanipulation av ett makroskopiskt objekt är genomförbart när interaktionerna mellan ljuset, objektet och mediet kontrolleras noggrant," sa Wang. "Det visar också komplexiteten i interaktioner mellan laser och materia och att många fenomen är långt ifrån att förstå på både makro- och mikroskala."
Källa: Forskare skapar en optisk traktorstråle som drar makroskopiska föremål
