Afsløring af bulk- og overfladestrålingskræfter i en dielektrisk væske

En international gruppe forskere har målt, hvor meget en laserstråle trækker i vandet, den skinner igennem.

Da lys udgør et elektromagnetisk bølgefænomen, er en laserstråle, der skinner gennem vand, kendt for at interagere med det via proces kaldet elektrostriktion, hvilket indebærer, at vandet komprimeres mod laserstråleaksen. Dette fænomen er beslægtet med at klemme en tandpasta tube; pastaen skubbes indad, hvilket også flytter den langs tuben og tvinger noget tandpasta ud af den.

Nu har et internationalt hold af forskere målt krafttætheden, som laserlys udøver i en vandsøjle, når den passerer gennem den. "Dette er første gang, at krafttætheden udøvet af lyset i stoffet er blevet målt; tidligere eksperimenter målte kun kræfterne ved grænsefladen mellem forskellige materialer eller nettokræfterne, der udøves på små partikler," siger Nelson Astrath fra Universidade Estadual de Maringá.

Den samme analogi hjælper med at forklare, hvordan forskerne formåede at måle den lille kraft, som lyset udøver. Ved at lukke enderne af den vandfyldte tube med glasplader sætter de effektivt hætten tilbage på tandpastatuben. "På denne måde kunne den forbigående kompression ikke længere tvinge vandet ud langs laserens bane, hvilket gør de elektrostriktionsgenererede elastiske bølger, der rejser væk fra laserstrålen, til den dominerende effekt," siger Tomaž Požar fra universitetet i Ljubljana. Efter at have målt den bølges egenskaber kunne forskerne beregne de involverede kræfter.

Elastiske bølger fanget mellem kuvettevægge

Eksperimenterne, som blev udført i Brasilien, skulle kontrollere for andre interaktioner, som kunne oversvømme denne effekt. "For eksempel opvarmer lasere også vand en lille smule i et kort øjeblik, hvilket får det til at udvide sig," sagde Mauro Baesso og Gabriel Flizikowski fra Universidade Estadual de Maringá. For at undgå dette var holdet nødt til at bruge ultrarent vand, med intet i det, der ville varme op ved at absorbere mere elektromagnetisk energi end selve det rene vand. Laserbølgelængden blev også omhyggeligt kontrolleret for at minimere absorption.

"Elektrostriktion indebærer, at atomerne grupperer sig tættere på hinanden, hvilket øger tætheden. Denne indsnævring er det modsatte af den termiske udvidelse, der normalt følger elektromagnetisk absorption ved stuetemperatur. På grund af dette kan kompressionen kun måles i materialer, der har meget lidt elektromagnetisk absorption," siger Mikko Partanen fra Aalto Universitet.

"Optiske bulk- og grænsekræfter i væsken kan observeres i det snoede optiske signal på grund af den resulterende spatiotemporale trykfordeling. Trykforstyrrelsen er relateret til kompressibilitet, hvilket betyder elektrostriktion Helmholtz-kraften. Denne kraft har været historisk vanskelig at måle og nøjagtigt modellere ," siger Iver Brevik fra Norges Tekniske og Naturvidenskabelige Universitet. "Vi er også i stand til at skelne mellem de strålingsinducerede termiske og ikke-lineære Kerr-effekter, og anser derfor disse fund for at være et vigtigt bidrag til lys-inducerede trykforstyrrelseseksperimenter i dielektriske væsker," siger Daniel Razansky fra University of Zurich og ETH Zurich. .

"Eksperimentet er et væsentligt spring fremad med at formulere en nøjagtig tids- og positionsafhængig optisk kraftteori, som teoretisk og eksperimentelt verificeres på en utvetydig måde. Især forsøget verificerer kvantitativt den aksiale komponent af den optiske krafttæthed for en optisk stråle. Hvad der stadig mangler at blive eksperimenteret med, er måling af den langsgående kraftkomponent," siger Stephen Bialkowski fra Utah State University.

Ud over eksperimenterne producerede forskerne en teoretisk model til at forklare deres resultater. "Yderligere arbejde er nødvendigt for korrekt at forstå forskellige aspekter af modellen fra den særlige relativitetsteori synspunkt," tilføjede Bruno Anghinoni og Luis Malacarne.

Undersøgelsen udvider nobelprisvinderen Arthur Ashkins resultater, som han brugte til at udvikle en optisk pincet til at manipulere små stofpartikler med lys. "Den nye forskning fremmer vores forståelse af, hvordan et optisk felt produceret af pincet påvirker det deformerbare stof, der bliver manipuleret," tilføjede Nelson Astrath og Tomaž Požar.

"Forskningen kan blandt andet anvendes i biologi eller medicin. Hvis optisk elektrostriktion kan bruges til at kontrollere stoffets mekaniske egenskaber, kan den potentielt bruges i optiske mikroelektromekaniske systemer," siger Jukka Tulkki fra Aalto Universitetet.

Undersøgelsen, "Afsløring af bulk- og overfladestrålingskræfter i en dielektrisk væske," er blevet offentliggjort i Light:Science &Applications . + Udforsk yderligere

Når lys mister symmetri, kan det indeholde partikler