Forscher haben eine Möglichkeit entwickelt, Laserlicht zum Ziehen eines makroskopischen Objekts zu verwenden. Obwohl bereits mikroskopische optische Traktorstrahlen demonstriert wurden, ist dies eines der ersten Male, dass Laserziehen bei größeren Objekten eingesetzt wurde.
Licht enthält sowohl Energie als auch Impuls, die für verschiedene Arten der optischen Manipulation wie Levitation und Rotation verwendet werden können. Optische Pinzetten zum Beispiel sind häufig verwendete wissenschaftliche Instrumente, die Laserlicht verwenden, um winzige Objekte wie Atome oder Zellen zu halten und zu manipulieren. Seit zehn Jahren arbeiten Wissenschaftler an einer neuen Art optischer Manipulation: der Nutzung Laserlicht um einen optischen Traktorstrahl zu erzeugen, der Objekte ziehen könnte.
„In früheren Studien war die leichte Zugkraft zu gering, um ein makroskopisches Objekt zu ziehen“, sagte Forschungsteammitglied Lei Wang von der QingDao University of Science and Technology in China. „Bei unserem neuen Ansatz hat die leichte Zugkraft eine viel größere Amplitude. Tatsächlich ist es mehr als drei Größenordnungen größer als der leichte Druck, der zum Antrieb eines Sonnensegels verwendet wird, das den Impuls von Photonen nutzt, um eine kleine Schubkraft auszuüben.“
In der Fachzeitschrift Optik Express, Wang und Kollegen zeigen, dass makroskopisches Graphen-SiO2 Verbundobjekte, die sie entworfen haben, können für das Laserziehen in einer verdünnten Gasumgebung verwendet werden. Diese Art von Umgebung hat einen viel niedrigeren Druck als den atmosphärischen Druck.
„Unsere Technik bietet eine berührungslose und Fern- Pulling-Ansatz, der für verschiedene wissenschaftliche Experimente nützlich sein kann“, sagte Wang. „Die verdünnte Gasumgebung, die wir zur Demonstration der Technik verwendet haben, ähnelt der auf dem Mars. Daher könnte es das Potenzial haben, eines Tages Fahrzeuge oder Flugzeuge auf dem Mars zu manipulieren.“
Genügend Kraft erzeugen
In der neuen Arbeit entwarfen die Forscher ein spezielles Graphen-SiO2 Verbundstruktur speziell für das Laserziehen. Bei Bestrahlung mit einem Laser erzeugt die Struktur eine umgekehrte Temperaturdifferenz, das heißt, die dem Laser abgewandte Seite wird heißer.
Bei Objekten aus dem Graphen-SiO2 Verbundstruktur bestrahlt werden durch a Laserstrahlerhalten Gasmoleküle auf ihrer Rückseite mehr Energie und schieben das Objekt in Richtung der Lichtquelle. Durch die Kombination mit dem niedrigen Luftdruck einer verdünnten Gasumgebung konnten die Forscher eine Laserzugkraft erzielen, die stark genug ist, um sich zu bewegen Makroskopische Objekte.
Verwendung eines Torsions- oder Drehpendelgeräts aus ihrem Graphen-SiO2 Verbundstruktur demonstrierten die Forscher das Phänomen des Laserziehens auf eine Weise, die mit bloßem Auge sichtbar war. Anschließend verwendeten sie ein traditionelles Schwerkraftpendel, um die Laserzugkraft quantitativ zu messen. Beide Geräte waren etwa fünf Zentimeter lang.
Wiederholbares, abstimmbares Ziehen
„Wir fanden heraus, dass die Zugkraft mehr als drei Größenordnungen größer war als der leichte Druck“, sagte Wang. „Darüber hinaus ist das Laserziehen wiederholbar und die Kraft kann durch Ändern der Laserleistung eingestellt werden.“
Die Forscher weisen darauf hin, dass diese Arbeit nur ein Proof of Concept ist und dass viele Aspekte der Technik verbessert werden müssten, bevor sie praktikabel wäre. Beispielsweise wird ein systematisches theoretisches Modell benötigt, um die Laserzugkraft für gegebene Parameter, einschließlich der Geometrie des Objekts, der Laserenergie und der umgebenden Medien, genau vorherzusagen. Die Forscher möchten auch die Laserziehstrategie verbessern, damit sie für einen breiteren Bereich von Luftdrücken funktioniert.
„Unsere Arbeit zeigt, dass eine flexible Lichtmanipulation eines makroskopischen Objekts machbar ist, wenn die Wechselwirkungen zwischen Licht, Objekt und Medium sorgfältig kontrolliert werden“, sagte Wang. „Es zeigt auch die Komplexität der Laser-Materie-Wechselwirkungen und dass viele Phänomene weit davon entfernt sind, sowohl im Makro- als auch im Mikromaßstab verstanden zu werden.“
Quelle: Forscher erzeugen einen optischen Traktorstrahl, der makroskopische Objekte zieht
