青岛科技大学研究生，青岛科技大学研究生院
据悉，青岛科技大学研究人员对稀薄气体中的宏观激光牵引的研究以“Macroscopic laser pulling based on the Knudsen force in rarefied gas”为题发表在《Optics Express》上。
近十年来，微纳物体的光学牵引力得到了充分的证明。然而，对宏观物体的光学牵引是具有挑战性的。本文介绍了在稀薄气体中激光对宏观物体的牵引。将宏观尺度的石墨烯气凝胶/二氧化硅双层置于稀薄气体中；利用激光束辐照二氧化硅层；石墨烯气凝胶/二氧化硅双层材料在稀薄气体中进行宏观尺度激光牵引。利用重力摆装置进一步测量了比辐射压大三个数量级以上的拉力。该工作将光学牵引的范围从微观扩展到宏观，为宏观光学操作提供了有效的技术途径。
研究人员设计了一种由交联石墨烯(CLG)前层和二氧化硅后层组成的宏观结构。当高斯激光束在稀薄气体环境(5 Pa)照射后层时，由于光热克努森力的作用，会产生宏观的激光拉力。用轻质扭摆装置定性地描述了激光牵引现象，用重力摆装置测量了激光牵引力。
轻质扭摆和宏观激光牵引机理及扭摆实验装置
图1：宏观激光牵引机理及扭摆实验装置。(A)基于克努森力的宏观激光推动大块CLG材料的机理。(B)基于克努森力的宏观激光牵引机理，黄色层为低导热光学透明材料。(C)扭摆装置示意图，CLG-二氧化硅样品固定在摆臂末端。(D)扭摆正面照片，插页显示圆柱形体CLG材料。(E)扭摆背面照片。(F和G)真空室中的整个扭摆装置。
重力摆的真实实验装置如图2(A-C)所示。摆臂尺寸为50毫米× 5毫米× 0.18毫米。铜线直径只有0.06 mm，有利于减小摩擦阻力。
图2所示。重力摆测量激光拉力的实验装置及结果。(A-C)重力摆装置的尺寸和材料细节。(D)没有激光牵引的重力摆照片。波长为360 nm的探测光照射在重力摆背面的Au纳米膜反射镜上，右上图中为光学屏上对应的反射探测(360 nm)激光光斑。(E)波长为488 nm的激光牵引重力摆照片。右上方的插图显示了光学屏幕上的反射探测(360 nm)激光光斑。
CLG材料的反射率和透射率是用光谱仪(Ocean Optics USB4000)结合光学显微镜(Olympus, BX51)测量的。本文所述激光功率均由光功率计(Thorlabs PM100A)测量。
不同激光波长、不同激光功率的宏观激光牵引实验
宏观激光牵引实验在真空室内进行(图1(G))，内部空气压力为5 Pa。如图3(A)所示，在没有激光照射的情况下，扭摆不动。随后，一束波长为532 nm的连续高斯激光束从右至左照射在CLG-二氧化硅样品的背面二氧化硅层上(图3(B)中绿色箭头所示)，照射在材料上的激光功率为60 mW，光不聚焦。在这种情况下，观察到扭摆逆时针旋转，宏观CLG-二氧化硅样品被拉向光源(图3(B)和(C))。
图3：不同激光波长的宏观激光牵引。(A-C)波长为532 nm的扭摆动态激光拉动。(B-F)波长为488 nm的扭摆动态激光拉动。(G-I)波长为360 nm的扭摆动态激光拉动。B、E、H箭头表示激光移动方向。C、F、I中的黑色虚线表示没有激光拉动扭摆的初始位置。
此外，利用波长为488 nm的激光束，定性研究了激光功率与扭摆旋转角度的关系。如图4(A-F)所示，当激光照射到材料上的功率从17 mW增加到85 mW时，扭摆的最大旋转角度从1°增加到8.3°。实验结果表明，激光入射能量与拉力幅值呈正相关。这是因为激光能量增强后，气体分子的热运动使前后两侧的温度差增大，从而产生较大的反冲力。
图4：不同激光功率的宏观激光牵引。(A-F)拉伸激光功率(照射到材料上)分别为0 mW、17 mW、34 mW、51 mW、68 mW、85 mW时，扭摆的最大旋转角度。激光波长为488 nm。B-F中的黑色虚线表示没有激光拉动时扭摆的初始位置。
激光拉力的测量
图5：激光拉力的测量原理。(A)重力摆实验装置示意图。(B)激光牵引重力摆的力学平衡分析，将重力摆视为绕0轴旋转的刚性体。
在《Optics Express》上，中国青岛科技大学的研究小组成员王雷和同事们证明了他们设计的宏观石墨烯-二氧化硅复合材料可以用于稀薄气体环境中的激光牵引。这种环境的压力比大气压力低得多。王雷说:“我们的技术提供了一种非接触的远距离牵引方法，这可能对各种科学实验有用。”“我们用来演示该技术的稀薄气体环境与在火星上发现的环境相似。因此，它有可能有一天操纵火星上的车辆或飞机。”
文章来源：
Lei Wang et al, Macroscopic laser pulling based on the Knudsen force in rarefied gas, Optics Express (2022). DOI: 10.1364/OE.480019
Journal information: Optics Express
https://doi.org/10.1364/OE.480019
https://phys.org/news/2023-01-optical-tractor-macroscopic.html
青岛科技大学研究生(青岛科技大学研究生院)
