Лазер перемещает микрометровые самолеты и парусники

Σ Кругликова Екатерина Екатерина Кругликова

Ученым из Рочестерского технологического института, штат Нью-Йорк, удалось предсказать, а потом и экспериментально подтвердить возможность перемещения объекта микрометрового размера с помощью лазерного луча небольшой мощности. Оказалось, что эффективность светового давления многократно увеличивается при правильном выборе формы объекта. Новый метод можно использовать для перемещения различных микрообъектов, например, маленьких роботов. Он также позволит усовершенствовать конструкцию солнечных парусов для космических перелётов.

Фотоны можно рассматривать как частицы. Они обладают импульсом, и световой поток может сдвигать другие объекты. Но механическая энергия пучка света очень мала, и поэтому такой подход до сих пор не получил широкого распространения. Хотя оптические пинцеты, позволяющие манипулировать микроскопическими объектами, уже используются, их разработчики по-прежнему сталкиваются с рядом трудностей. Такие приборы требуют использования лазеров относительно высокой мощности, а это не только приводит к высокой цене прибора, но и увеличивает риск повреждения перемещаемого объекта. Другая область применения светового давления, солнечный парус, иногда используется для корректировки орбиты космического аппарата, но не может применяться в качестве основного двигателя в космическом пространстве.

Учёные из Рочестерского технологического института под руководством Грувера Шварцлэндера (Grover Swartzlander) впервые сосредоточились на форме того объекта, который должен смещаться с помощью света. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Photonics, они успешно применили для работы с давлением света достижения аэродинамики.

Учёные предположили, что при попадании потока света на объект в форме крыла можно добиться возникновения устойчивой подъемной силы. Эту гипотезу удалось подтвердить с помощью компьютерной модели, после чего учёные приступили к экспериментам в физической лаборатории. Они создали крошечные прозрачные тела, плоские с одной стороны и закругленные с другой – похожие на крыло самолета. Затем они поместили эти объекты в прозрачную ёмкость с водой. На эту систему снизу вверх направили пучок ультрафиолетового света мощностью 130 мВт. Как и предсказывала математическая модель, крохотные парусники поворачивались, образуя определенный угол атаки с пучком света, и начинали двигаться. На объекты, имеющие форму сферы, свет подобного эффекта не оказывал.

В аэродинамических системах разная скорость воздушного потока под крылом и над ним приводит к разности давлений, порождающей подъемную силу. В аналогичных оптических системах подъемная сила возникает в прозрачных объектах, когда свет проходит сквозь них и отражается от внутренней поверхности. В объектах, имеющих форму крыла, большая часть света приобретает направление, перпендикулярное основному лучу, именно в этом направлении и наблюдается максимальная сила давления света на поверхность. В оптической системе углы атаки составили около 60º, что обеспечило мощную подъемную силу. Для аэродинамической системы это означало бы, что самолет отрывается от земли под углом 60º.

Шварцлэндер отметил, что следующим шагом в исследовании будет тестирование «световых парусов» в воздушной среде, изучение поведения материалов с различными отражающими свойствами, а также эксперименты с изменением длины волны управляющего пучка света.