Mechanické účinky světla od slunečních plachetnic ke světelným motorům



Podobné dokumenty
Konstrukční varianty systému pro nekoherentní korelační zobrazení

LASEROVÉ SVAZKY PRO OPTICKÉ MANIPULACE

Optika pro mikroskopii materiálů I

Využití principů singulární optiky a korelační holografie v optické mikroskopii

VLNOVÁ OPTIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Optika - 3. ročník

FYZIKA II. Marek Procházka 1. Přednáška

Charakteristiky optického záření

Demonstrační jednotka generátoru nedifrakčních svazků

OPTICKÉ VÍRY NOVÝ SMĚR ROZVOJE SINGULÁRNÍ OPTIKY

Fyzika, maturitní okruhy (profilová část), školní rok 2014/2015 Gymnázium INTEGRA BRNO

Vlnění, optika a atomová fyzika (2. ročník)

c) vysvětlení jednotlivých veličin ve vztahu pro okamžitou výchylku, jejich jednotky

Gymnázium, Havířov - Město, Komenského 2 MATURITNÍ OTÁZKY Z FYZIKY Školní rok: 2012/2013

Úvod do laserové techniky

Tabulace učebního plánu. Vzdělávací obsah pro vyučovací předmět : Fyzika. Ročník: I.ročník - kvinta

školní vzdělávací program ŠKOLNÍ VZDĚLÁVACÍ PROGRAM DR. J. PEKAŘE V MLADÉ BOLESLAVI RVP G 8-leté gymnázium Fyzika II. Gymnázium Dr.

Zobrazování s využitím prostorového modulátoru světla

Fyzika II. Marek Procházka Vlnová optika II

Laboratorní úloha č. 7 Difrakce na mikro-objektech

13. Spektroskopie základní pojmy

Maturitní témata fyzika

Maturitní otázky z předmětu FYZIKA

Jaký obraz vytvoří rovinné zrcadlo? Zdánlivý, vzpřímený, stejně velký. Jaký obraz vytvoří vypuklé zrcadlo? Zdánlivý, vzpřímený, zmenšený

B) výchovné a vzdělávací strategie jsou totožné se strategiemi vyučovacího předmětu Fyzika.

Světlo x elmag. záření. základní principy

Úvod do laserové techniky

[KVANTOVÁ FYZIKA] K katoda. A anoda. M mřížka

Okruhy k maturitní zkoušce z fyziky

Nová koncepční a konstrukční řešení pro zobrazení s PMS

Sylabus přednášky Kmity a vlny. Optika


VÝUKOVÝ SOFTWARE PRO ANALÝZU A VIZUALIZACI INTERFERENČNÍCH JEVŮ

Měření a analýza mechanických vlastností materiálů a konstrukcí. 1. Určete moduly pružnosti E z ohybu tyče pro 4 různé materiály

4. V jednom krychlovém metru (1 m 3 ) plynu je 2, molekul. Ve dvou krychlových milimetrech (2 mm 3 ) plynu je molekul

Vznik a šíření elektromagnetických vln

Maturitní otázky z předmětu FYZIKA

MAKROSVĚT ~ FYZIKA MAKROSVĚTA (KLASICKÁ) FYZIKA

(Umělé) osvětlování pro analýzu obrazu

ZÁKLADNÍ ČÁSTI SPEKTRÁLNÍCH PŘÍSTROJŮ

Frekvenční analýza optických zobrazovacích systémů

Elektřina a magnetismus UF/ Základy elektřiny a magnetismu UF/PA112

Maturitní témata profilová část

FYZIKA PRO IV. ROČNÍK GYMNÁZIA - OPTIKA 2. VLNOVÁ OPTIKA

ZÁŘENÍ V ASTROFYZICE

MĚŘENÍ ABSOLUTNÍ VLHKOSTI VZDUCHU NA ZÁKLADĚ SPEKTRÁLNÍ ANALÝZY Measurement of Absolute Humidity on the Basis of Spectral Analysis

Fyzika II, FMMI. 1. Elektrostatické pole

Optika. Co je světlo? Laser vlastnosti a využití. Josef Štěpánek Fyzikální ústav MFF UK

Pozorování Slunce s vysokým rozlišením. Michal Sobotka Astronomický ústav AV ČR, Ondřejov

Profilová část maturitní zkoušky 2017/2018

Postupné, rovinné, monochromatické vlny v lineárním izotropním nemagnetickém prostředí

Stručný úvod do spektroskopie

27. Vlnové vlastnosti světla

Fyzika 2 - rámcové příklady vlnová optika, úvod do kvantové fyziky

laboratorní řád, bezpečnost práce metody fyzikálního měření, chyby měření hustota tělesa

Optoelektronika. elektro-optické převodníky - LED, laserové diody, LCD. Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

- studium jevů pozorovaných při průchodu světla prostředím: - absorpce - rozptyl (difúze) - rozklad světla

Stojaté a částečně stojaté vlny

Číslo materiálu Předmět ročník Téma hodiny Ověřený materiál Program

- Ideálně koherentním světelným svazkem se rozumí elektromagnetické vlnění o stejné frekvenci, stejném směru kmitání a stejné fázi.

Spektrometr pro měření Ramanovy optické aktivity: proč a jak. Optická sestava a využití motorizovaných jednotek.

Úvod do nebeské mechaniky

Mikroskopické metody Přednáška č. 3. Základy mikroskopie. Kontrast ve světelném mikroskopu

Digitální učební materiál

Teplota jedna ze základních jednotek soustavy SI, vyjadřována je v Kelvinech (značka K) další používané stupnice: Celsiova, Fahrenheitova

Světlo jako elektromagnetické záření

Elektromagnetické vlnění

Skalární a vektorový popis silového pole

10. Energie a její transformace

Fabry Perotův interferometr

ČLOVĚK A ROZMANITOST PŘÍRODY VESMÍR A ZEMĚ. GRAVITACE

C Mapy Kikuchiho linií 263. D Bodové difraktogramy 271. E Počítačové simulace pomocí programu JEMS 281. F Literatura pro další studium 289

Fyzika pro chemiky II

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

Světlo je elektromagnetické vlnění, které má ve vakuu vlnové délky od 390 nm do 770 nm.

Úvod do nebeské mechaniky

z ), který je jejím Fourierovým obrazem. Naopak obrazová funkce g ( y, objeví v obrazové rovině bude Fourierovým obrazem funkce E(µ,ν).

Úvod do spektrálních metod pro analýzu léčiv

Na základě toho vysvětlil Eisnstein vnější fotoefekt, kterým byla platnost tohoto vztahu povrzena.

Úvod do moderní fyziky. lekce 3 stavba a struktura atomu

2. Difrakce elektronů na krystalu

Elektronový obal atomu

Předmět: FYZIKA Ročník: 6.

Úvod do laserové techniky

Od kvantové mechaniky k chemii

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Využití komplementarity (duality) štěrbiny a páskového dipólu M

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Aplikovaná optika. Optika. Vlnová optika. Geometrická optika. Kvantová optika. - pracuje s čistě geometrickými představami

Sylabus Praktika školních pokusů 2

Otázky z optiky. Fyzika 4. ročník. Základní vlastnosti, lom, odraz, index lomu

Maturitní otázky z fyziky Vyučující: Třída: Školní rok:

Základní škola, Ostrava Poruba, Bulharská 1532, příspěvková organizace

AVS / EPS. Pracovní verze část 3. Ing. Radomír Mendřický, Ph.D.

Laserové chlazení atomů. Magneto-optická past

Krystalografie a strukturní analýza

Maticová optika. Lenka Přibylová. 24. října 2010

Optika Elektromagnetické záření

Název a číslo materiálu VY_32_INOVACE_ICT_FYZIKA_OPTIKA

Podmínky pro hodnocení žáka v předmětu fyzika

Transkript:

Mechanické účinky světla od slunečních plachetnic ke světelným motorům Zdeněk Bouchal Katedra optiky, PřF UP Olomouc Centrum digitální optiky TA ČR Fyzikální kaleidoskop 10. 1. 2014 17 listopadu 1192/12, 771 46 Olomouc

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

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

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)

Tlak záření v historických souvislostech Klasický přístup 1600-1960 (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

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

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)

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.

Experimentální demonstrace tlaku záření P. N. Lebeděv Annalen der Physik, 6, 433, 1901. 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. 0.02 mm

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 2 2 0 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

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)

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

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 3.2 10 0 0 exp x 1225 I 3 sp m 4.5 10 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.

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

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

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

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

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

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

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.

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

Optický transport částic Besselovský svazek

Demonstrace optického dopravníku KATEDRA OPTIKY UP OLOMOUC Video dostupné na: http://iopscience.iop.org/1367-2630/8/3/043/fulltext/

Demonstrace optické vazby KATEDRA OPTIKY UP OLOMOUC Video dostupné na: http://iopscience.iop.org/1367-2630/8/3/043/fulltext/

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

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

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

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

Katedra optiky UP Olomouc Video dostupné na: http://www.opticsinfobase.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-16-18-14024&id=171298

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

Dynamické optické manipulace (UP Olomouc)

3D optické manipulace

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)

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

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.

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

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

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

Experimenty: spirální fázová maska Spirální fázová maska Gaussovský svazek Šroubovitá vlnoplocha http://www.rpcphotonics.com/markets.asp

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 )

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

Experimentální demonstrace vírové konverze LG 0,1 http://laser.physics.sunysb.edu/~alex/ppt/

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

Rotace souboru částic holografická pinzeta UP

Přenos OMH v MEMS světelné motory Světlem ovládané mikrosystémy Prof. Pál Ormos, Institute of biophysics, Hungarian Academy of Sciences http://www.szbk.u-szeged.hu/ormosgroup/machines/machines.html Idea Realizace

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)

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

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

Děkuji za pozornost