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浙江大学实现光致微米金片往复运动

2017-05-26 09:44
林契于宸
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光与物质的相互作用导致了许多有趣的现象(如克鲁克斯辐射计中叶片在光照下的转动)和重要的应用(如光镊操纵微观颗粒),这些现象和应用均涉及动量传递过程,且都遵守动量守恒定律。在动量传递的过程中往往涉及光力与光热力作用的讨论。

光力来源于光子与物体之间的动量传递。物质在吸收和散射光子的过程中,光子的动量转移到物体上,从而使物体受到光力的作用。光镊操纵微观颗粒即是利用光力的作用。

而光热力则来源于光热过程中气体分子与物体之间的动量守恒。对于处在气体环境中的光吸收物体,由于不同部位光吸收不均匀,从而导致温度分布不均匀。温度高的地方,气体分子运动速度快,转移给物体的反向动量更多,从而给物体施加了一个逆温度梯度方向的力。克鲁克斯辐射计的原理即缘于此。

由于光力和光热力工作的环境往往不同(光力驱动一般在溶液中进行,而光热力则多在气体环境中发挥作用),很少有研究将这两种力联合起来以驱动物体。此外,一般而言,光力和光热力大都表现为沿着光传播方向的推力,而逆着光传播方向的所谓光拉力,由于其反直觉,近年来吸引了很多研究者的关注。

图1. 锥形光纤-微纳金片系统中光力与光热力仿真计算结果图

近期,浙江大学仇旻课题组提出了一种联合利用光力和光热力对微纳物体进行驱动的方法。他们通过在锥形光纤中通入超连续光实现了对置于锥形光纤表面的微米金片的来回推拉驱动。相关研究成果发表在Physical Review Letters [118, 043601 (2017)]上。

该研究工作实际上是利用了光力与光热力在锥形光纤上的分布不同所致的竞争作用。从锥形光纤远端到尖端,其直径逐渐变小,光纤表面的倏逝场也由弱变强。若将微米金片放在锥形光纤靠近尖端处,微米金片在光纤表面因吸收光子而产生的光热也将由弱变强,从而在微米金片表面形成温度梯度,进而产生非常大的光热力。这种光热力能将微米金片沿与光通入方向相反的方向拉动。而当微米金片被拉到远离尖端的位置时,由于散射造成的光力则会将金片往锥形光纤尖端处推。光力和光热力的合力在锥形光纤不同区域的方向不同,若规定指向光纤尖端方向为正方向,则在靠近尖端处合力为负,即为拉力区间,而在远离尖端处合力为正,即为推力区间。由此形成了光热拉力和光推力共同作用的驱动系统,从而实现了微米金片在锥形光纤上的来回移动。

图2. 微纳金片在锥形光纤上来回驱动的实验结果图

这一发现可用于光产生机械能,有望在光致机械位移(光驱动马达)方面得到重要应用。

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