Mechanické účinky světla od slunečních plachetnic ke světelným motorům

Transkript

1 Mechanické účinky světla od slunečních plachetnic ke světelným motorům Zdeněk Bouchal Katedra optiky, PřF UP Olomouc Centrum digitální optiky TA ČR Fyzikální kaleidoskop listopadu 1192/12, Olomouc

2 Obsah PŘEDSTAVY O SVĚTLE EM vlna foton laserové technologie Mechanické účinky světla (trocha teorie a historie) energie moment hybnosti hybnost sluneční plachetnice optické manipulace chlazení atomů světelné motory světelné víry vírová informace

3 Představy o podstatě světla Světlo = elektromagnetické vlnění Světlo = tok fotonů El. pole E, D EM vlna Elektrické pole E Magnetické pole H J. C. Maxwell 1873 A treatise on electricity and magnetism Mag. pole H, B w=(e.d+h.b)/2 objemová hustota EM energie [J/m 3 ]) M. Planck 1900 Světlo je vyzařováno a absorbováno v kvantech energie energie, hybnost A. Einstein 1905 Objasnění fotoelektrického jevu pomocí kvantové představy světla G. N. Lewis 1926 Zaveden pojem foton Foton nulová klidová hmotnost m 0 =0 S=ExH Poyntingův vektor (hustota toku EM energie [W/m 2 ]) g =S/c 2 objemová hustota hybnosti [Ns/m 3 ] Spec. teorie relativity: W 2 =(m 0 c 2 ) 2 +g 2 c 2 g=w/c=hn/c=h/l Velikost hybnosti fotonu [Ns] g=hk k =2p/l

4 Projevy při emisi a absorpci světla Výměna energie (ohřev, ochlazování) EMISE A ABSOPCE SVĚTLA Přenos hybnosti (silové působení, tlak záření) Přenos momentu hybnosti (moment síly, otáčivý účinek)

5 Tlak záření v historických souvislostech Klasický přístup (Keppler, Newton, Maxwell, Lebeděv) J. Keppler odklon chvostu komet tlakem slunečního záření I. Newton hypotéza, že záření způsobuje tlak na hmotné objekty J.C. Maxwell předpověď hodnoty tlaku záření pomocí elektromagnetické teorie P.N. Lebeděv experimentální určení tlaku světla

6 Představa tlaku záření Tlak na absorbující objekt Tlak na odrážející objekt Změna hybnosti fotonu Dg = g out -g in Změna hybnosti objektu DG g in g in DG=g in DG=2g in g out =0 g out = - g in Dg = - g in Dg = - 2g in Zákon zachování hybnosti Dg + DG = 0

7 Neurčitost polohy a hybnosti fotonu ohyb světla Štěrbina Rovinná vlna: úplná neurčitost polohy (konstantní amplituda) jednoznačně určená hybnost (směr šíření ) D x D g x konst g k 2p k l Dx Dg x l Dx Ohyb světla (difrakce)

8 Proč se točí Crookesův mlýnek? William Crookes 1873 Konstrukce Crookesova mlýnku Skleněná baňka s vyčerpaným vzduchem a v ní malá vrtulka uložená na jehlovém ložisku. Vrtulka má čtyři slídové listy z jedné strany bílé a z druhé začerněné. Vysvětlení otáčení mlýnku Původní (nesprávný) výklad : Mlýnek se otáčí působením radiačního tlaku světla, tlak na odrážející straně lopatky je 2x větší než na absorbující straně lesklá strana se pohybuje ve směru dopadajícího světla. Při demonstracích se mlýnek otáčí na opačnou stranu!!! Současná interpretace: Vzduch není z baňky dokonale vyčerpán lopatky jsou ve zředěném plynu, který se u absorbující strany lopatky více zahřívá (molekuly plynu mají vyšší kinetickou energii) a působí vyšším tlakem než na odrážející straně lopatky. Tlak záření je nesrovnatelně menší než tepelné efekty.

9 Experimentální demonstrace tlaku záření P. N. Lebeděv Annalen der Physik, 6, 433, oblouková lampa zrcadla elastická nit vzduchoprázdná nádoba Nežádoucí vliv: radiometrické jevy tlak záření možno demonstrovat tehdy, pokud je tlak uvnitř nádoby menší než 10-4 Pa. platinové fólie tl mm

10 Odhad velikosti tlaku záření Tlak slunečního záření na Zemi Tlak laserového svazku Vyzářený výkon P=3.8x10 26 W Intenzita na povrchu Země I=1360 W/m 2 Tlak záření [Pa]: 1 AU=1.5x10 8 km p= ExH /c I. Intenzita [W/m 2 ] Vstupní svazek - HeNe laser : P=20 mw, l=632 nm, r=0.5 mm I=50 W/m 2 1 P p I r Fokusovaný svazek, r 0 =5 mm : I=5x10 8 W/m 2 p=4.5 x10-6 Pa p=1.7 Pa r=1 mm F=5 pn

11 Využití hybnosti světla Sluneční plachtění (pohyb vesmírem) Optické manipulace (ovládání mikrosvěta) K. Ciolkovskij 1920 F. Tsander 1924 A. Ashkin 1970 první úvahy o praktickém využití slunečního plachtění prředstava meziplanetárního létání pomocí obrovských tenkých zrcadel objev principu zachycení mikroobjektů pomocí laseru (laserová pinzeta)

12 Princip a podmínky slunečního plachtění Sluneční pohon: přenos hybnosti EM (slunečního) záření na odraznou plachtu Malá hybnost (tlak) fotonu Velké rozměry plachty (nutnost zachycení velkého počtu fotonů) Malá hmotnost plachty (dosažení co největšího zrychlení) Plachetnice navržená pro Luna Cup 1994 rozměry plachty: A=62x62 m 2 celková hmotnost : m=250 kg odrazivost plachty: R=85% tlak záření při absorpci (1AU): p=4.5x10-6 Pa síla působící na plachtu: F=2 p R A=3x10-2 N zrychlení: a=f/m=0.12 mm/s -2

13 Výhody slunečního pohonu Malá ale stálá akcelerace: a=1 mm/s 2, 1 rok, Dv=32 km/s, náklad 1.5x těžší než plachetnice Vysoká hodnota specifického impulsu: I sp ~8x10 4 Ns/kg (raketový pohon I sp ~4.5x10 3 Ns/kg) Raketová rovnice: Spotřeba paliva rakety: Dv 4 m m exp m exp x 1225 I 3 sp m x Se solárním pohonem je možné pronikat do hlubokého vesmíru. Sluneční plachetnice se mohou pohybovat mimo Keplerovské oběžné dráhy je možné dosáhnout libovolné pozice ve sluneční soustavě.

14 Řízení směru pohybu sluneční plachetnice Trajektorie neovlivněná tlakem záření Trajektorie se tlakem záření otevírá Výsledná síla F SP g in Trajektorie se tlakem záření zavírá Změna hybnosti g in Dg g out Dg g out g in F

15 Změna oběžné dráhy plachetnice Hohmannova elipsa optimální dráha pro přelet mezi dvěma blízkými planetami

16 První ověření slunečního plachtění IKAROS - Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun květen 2010 první solární plavidlo pohon zajištěn tlakem slunečního záření, systém doplněn slunečními články Rozměry plachty: 14x14 m 2, tl. 7.5 mm Náklad: 310 kg

17 Počátky optických manipulací A. Ashkin, Phys. Rev. Lett. 24, 156, 1970 latexové kuličky rozptýlené ve vodě (d ~ 3 mm) F G F R... radiační síly rozptylové síly tlačí částici ve směru dopadajícího záření F R F R pološířka pasu svazku w 0 ~ 6 mm výkon svazku 10 mw F G F G... gradientní síly táhnou částici do místa nejvyšší intenzity svazku

18 Axiální působení gradientní síly Změna hybnosti částice DG = - (Dg A + Dg B ) g out částice umístěná za pasem fokusovaného svazku paprsek A g in -Dg B Dg B - g in DG g out g out paprsek B g in - Dg A - g in Dg A g out

19 Příčné působení gradientní síly Změna hybnosti částice DG = - (Dg A + Dg B ) částice v nesymetrické poloze vzhledem k pasu svazku paprsek A g in - Dg A DG g out Dg B - g in g out g in paprsek B Dg B g out Dg A g out - g in

20 Jednosvazkové laserová pinzeta mikroskopový objektiv ( vysoká NA ) F G F R F G 2w 0 F G F R... rozptylová síla F G... gradientní síly w 0... poloměr pasu q 0... Rayleighova vzdálenost 2q 0 Rozměry zachycených částic 10 nm 10 mm Účinky sil: Rozptylová síla tlačí částici ve směru šíření svazku. Gradientní síly přemísťují částici do místa největší intenzity svazku.

21 Základní konstrukce laserové pinzety Zdroj světla Optická past Mikroskopový objektiv Piezoelektrické zrcátko Čočka LASER Rozšiřovač svazku Čočka Dichroické zrcadlo Zrcátko

22 Optický transport částic Besselovský svazek

23 Demonstrace optického dopravníku KATEDRA OPTIKY UP OLOMOUC Video dostupné na:

24 Demonstrace optické vazby KATEDRA OPTIKY UP OLOMOUC Video dostupné na:

25 Dynamické pasti prostorová modulace světla CRL Opto 1024x768 Hamamatsu 800x600 Boulder 512x512

26 Princip amplitudové modulace světla Anylyzátor Intenzita modulovaného svazku PMS Polarizátor Intenzita vstupního svazku Změna polarizace na jednotlivých pixelech

27 Princip fázové modulace světla Změna optické tloušťky (OT) jednotlivých pixelů (OT=ind lomu x geom tloušťka) Modulovaná vlnoplocha PMS Polarizátor Vstupní vlnoplocha

28 Použití prostorové modulace světla příčné posunutí podélné posunutí příčné a podélné posunutí m=4 příčné posunutí podélné posunutí m=2 dvě světelné stopy m=3 m=1

29 Katedra optiky UP Olomouc Video dostupné na:

30 Holografická laserová pinzeta (UP Olomouc) Laser Optický systém I Prostorový modulátor světla (PMS) Optický systém II Invertovaný mikroskop Ovládání parametrů Dynamický přenos hologramů Přenos živého obrazu CCD

31 Dynamické optické manipulace (UP Olomouc)

32 3D optické manipulace

33 Moment hybnosti světla Spin Orbitální moment hybnosti E částice rotují kolem vlastní osy částice obíhá kolem osy svazku E E EM vlna s kruhovou polarizací Vírový svazek (svazek se šroubovitou vlnoplochou)

34 Moment hybnosti světla historické souvislosti Experimentální ověření spinu světla R. Beth 1936 LKP l/2 PKP Vírový svazek Vlna s kruhovou polarizací Objevení orbitálního momentu hybnosti světla L. Allen 1992 Prof. L. Allen University of Glasgow

35 Světelný vírový svazek Šroubovitá vlnoplocha se singularitou fáze v centru víru (stoupání šroubovice je ml). Nulová amplituda v místě fázové singularity (vírové centrum je tmavé). Spirální tok elektromagnetické energie. Nenulový orbitální moment hybnosti.

36 Identifikace světelných vírů Matematicky: ds s 2 0 mp spojitá fáze optický vír Světelný vír + sférická vlna INTERFERENCE Opticky: Světelný vír + rovinná vlna m=2

37 Identifikace složených vírů Interferenční obrazec Intenzitní profil Dvojité rozštěpení interferenčních proužků Jednoduché rozštěpení interferenčních proužků Znaménko topologického náboje určuje orientace rozštěpení proužků

38 Vlastnosti světelných vírů Přitahování, odpuzování a anihilace vírů Samorekonstrukce vírového svazku

39 Experimenty: spirální fázová maska Spirální fázová maska Gaussovský svazek Šroubovitá vlnoplocha

40 Experimenty: svazková konverze LG 0 1 (vírový svazek l = 1) světelné víry Fázový HG 10 posuv p/2 HG 01 = 1 2 1/2 + i 2 1/2 LG 0 1 = (1/ 2 1/2 )(HG 10 + i HG 01 )

41 Analogie polarizační a svazkové konverze Polarizační transformace + + Svazková transformace = = Optická anizotropie VSTUPNÍ STAV: Lineární polarizace VSTUPNÍ STAV: Diagonální HG svazek Prostorový astigmatismus Fázový posuv polarizačních složek p/2 Fázová destička l / 4 VÝSTUPNÍ STAV: Kruhová polarizace VÝSTUPNÍ STAV: LG svazek Astigmatický konvertor Fázový posuv HG módů p/2 = + i = + i

42 Experimentální demonstrace vírové konverze LG 0,1

43 Využití světelných vírů Vírový přenos informace Přenos momentu hybnosti optické manipulace Mikro Elektro Mechanické Systémy Vírové zobrazení

44 Rotace souboru částic holografická pinzeta UP

45 Přenos OMH v MEMS světelné motory Světlem ovládané mikrosystémy Prof. Pál Ormos, Institute of biophysics, Hungarian Academy of Sciences Idea Realizace

46 Orbitální moment hybnosti a přenos informace Princip přenosu Koaxiální vírová superpozice Dekódovaný signál Vstupní svazek Kódování informace Dekódování informace Kódování a dekódování Kódovací maska Složený vírový svazek (1010)

47 Vírové stavy světla ve spirální mikroskopii Zobrazení fázových objektů metodou spirálního kontrastu Osvětlovací svazek Fázový předmět Rovina filtrace Intenzita obrazu Spirální filtr DG = 0 DG = 2p/3 DG = 4p/3

48 Vírová nekoherentní korelační holografie Přímý obraz Standardní rekonstrukce Spirální rekonstrukce Standardní rekonstrukce Bodový záznam Optický vírový záznam Vírová rekonstrukce Bodový obraz

49 Děkuji za pozornost