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航空零部件

新研制“光翼”可在光照下上升

激光制造網(wǎng)通訊員 來源:星球國際2010-12-11 我要評論(0 )   

在發(fā)明第一架飛機一百多年后,科學(xué)家利用一種 光學(xué) 上的空氣動力抬升作用,研究出一種類似于機翼的 光翼 ,能在 激光 照射下上升。研究人員希望將來有一天,光翼能在外...

在發(fā)明第一架飛機一百多年后,科學(xué)家利用一種光學(xué)上的空氣動力抬升作用,研究出一種類似于機翼的“光翼”,能在激光照射下上升。研究人員希望將來有一天,“光翼”能在外太空的真空環(huán)境運行,僅在陽光照射下就能飛行。該研究發(fā)表在12月5日的《自然—光子學(xué)》網(wǎng)站上。

 

光壓差產(chǎn)生抬升

 

“這很像萊特兄弟早期所做的事情。”論文主要作者、紐約羅徹斯特技術(shù)研究院物理學(xué)家格魯弗·斯瓦茨蘭德說。光翼的工作原理跟機翼很像,都是要讓一邊的壓力大于另一邊,壓力差會產(chǎn)生向上或向下的力量。在機翼中,機身上面的空氣更快地流動,沿弧形與下面的空氣匯合,由此產(chǎn)生了空氣壓力差。而在光翼中,造成壓力差的不是空氣而是光。

 

“輻射壓力”的概念是物理學(xué)家詹姆斯·克萊克·麥克斯韋和阿道夫·巴托利19世紀(jì)末提出的理論,即光量子通過介質(zhì)或被反射時,會將動量傳給目標(biāo)。正是由于這個原因,彗星的尾巴總是指著背向太陽的一邊,是太陽光線將它們推離。

 

格羅弗和研究小組預(yù)測,輻射壓力也會產(chǎn)生抬升的力量。根據(jù)計算機分析演示,光線在進入不同形狀物體時,會產(chǎn)生不同的折射或反射。當(dāng)光線進入一種半圓形的透明物體時,大部分入射光線就會以垂直方向反射離開,它們離開的一邊就會受到最大的輻射壓力,物體由此而上升。

 

在延時顯微照片中,半圓小棒編制的“光翼”發(fā)生橫向運動,證明在激光照射下發(fā)生了向上位移。

 

在實驗中,研究人員用光刻技術(shù)將半圓小棒編制成一個幾微米的“光翼”,浸在水滴中,用毫瓦的激光照射從下面照射。他們發(fā)現(xiàn)半圓形小棒會自動扭轉(zhuǎn)成一個穩(wěn)定的受攻擊的角度,顯示出一致性的運動。在一束單一準(zhǔn)一致光中,可以看到許多小棒組成的“光翼”被同時抬升,而且還發(fā)生水平方向的移動。這個側(cè)向移動表明,可以通過控制光壓的方向來控制目標(biāo)物體的移動。

 

研究人員解釋說,這和光鑷不同,不需要光強梯度就能形成壓力。光鑷是一個特別的光場,酷似一個陷阱。以光場的中心劃定一個幾微米方圓的區(qū)域,造 就一個勢能較低的區(qū)域,一旦光子涉足這個禁區(qū)就會自動迅速墜落光的中心。當(dāng)物體的動能不足以克服勢壘時,粒子將始終停留在阱內(nèi)。整個受到光的作用從而達到 被鉗的效果,然后可以通過移動光束來實現(xiàn)遷移物體的目的。

 

納米力學(xué)與光學(xué)結(jié)合

 

“光翼”的一個重要應(yīng)用是依靠輻射壓力來控制航空工具的方向。比如美國加利福尼亞帕薩迪娜的一個公共空間組織“行星社”計劃,在今年末發(fā)射一個實驗性的太陽能導(dǎo)航航天器——光帆(LightSail)。格羅弗·斯瓦茨蘭德表示,借助這一發(fā)明,將來可能僅靠太陽光線就能為“光翼”飛行器提供動力。未來在太空探索中,就有可能僅依靠太陽光驅(qū)動飛行。此外,還可以在不易采用常規(guī)動力的微觀環(huán)境中用“光翼”為極小的器械提供動力。

 

對于最新應(yīng)用,加利福尼亞理工大學(xué)研究納米光學(xué)與機械系統(tǒng)的物理學(xué)家馬特·艾琴菲爾德認為,如果抬升可以用于任何透明物體,該技術(shù)的研究就更有 意義。反過來考慮問題的話,我們可以改變激光束的形狀,而不一定是物體的形狀。“光翼”的概念也能用于微觀機械力學(xué),或液體中的粒子運動。他說:“這會產(chǎn) 生很有趣的效果。把納米力學(xué)的研究領(lǐng)域和光學(xué)相結(jié)合也變得更重要。在研究中,我們會再次看到研究展現(xiàn)出的最簡單現(xiàn)象。”

 

 

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