Konstnärlig illustration av radiell tryckfördelning i vatten exciterad av en kort 9-ns laserpuls. Sondstrålen som känner av effekterna illustreras i rött. Kredit:Mikko Partanen, Aalto-universitetet
En internationell grupp forskare har mätt hur mycket en laserstråle drar i vattnet den lyser igenom.
Eftersom ljus utgör ett elektromagnetiskt vågfenomen, är det känt att en laserstråle som lyser genom vatten interagerar med det via en process som kallas elektrostriktion, vilket innebär att vattnet komprimeras mot laserstrålens axel. Detta fenomen är besläktat med att klämma en tandkrämstub; pastan trycks inåt, vilket också flyttar den längs tuben, vilket tvingar ut lite tandkräm ur den.
Nu har ett internationellt team av forskare mätt kraftdensiteten som utövas av laserljus i en vattenpelare när den passerar genom den. "Detta är första gången krafttätheten som utövas av ljuset i materien har mätts; tidigare experiment mätte bara krafterna vid gränsytan mellan olika material, eller nettokrafterna som utövas på små partiklar", säger Nelson Astrath från Universidade Estadual de Maringá.
Samma analogi hjälper till att förklara hur forskarna lyckades mäta den lilla kraft som utövas av ljus. Genom att stänga ändarna av den vattenfyllda tuben med glasplattor sätter de effektivt tillbaka locket på tandkrämstuben. "På detta sätt kunde den transienta kompressionen inte längre tvinga ut vattnet längs laserns väg, vilket gör de elektrostriktionsgenererade elastiska vågorna som rör sig bort från laserstrålen till den dominerande effekten", säger Tomaž Požar från universitetet i Ljubljana. Efter att ha mätt egenskaperna hos den vågen kunde forskarna beräkna de inblandade krafterna.
Elastiska vågor fångas mellan kyvettväggar
Experimenten, som utfördes i Brasilien, var tvungna att kontrollera för andra interaktioner som kunde försvaga denna effekt. "Till exempel värmer lasrar också upp vatten en liten mängd under en kort stund, vilket får det att expandera", säger Mauro Baesso och Gabriel Flizikowski från Universidade Estadual de Maringá. För att undvika detta var teamet tvunget att använda ultrarent vatten, med ingenting i det som skulle värmas upp genom att absorbera mer elektromagnetisk energi än det rena vattnet i sig. Laservåglängden kontrollerades också noggrant för att minimera absorptionen.
"Elektrostriktion innebär att atomerna grupperar sig närmare varandra, vilket ökar densiteten. Denna sammandragning är motsatsen till den termiska expansionen som normalt följer elektromagnetisk absorption vid rumstemperatur. På grund av detta kan kompressionen endast mätas i material som har mycket lite elektromagnetisk effekt. absorption", säger Mikko Partanen vid Aalto-universitetet.
"Optiska bulk- och gränskrafter i vätskan kan observeras i den invecklade optiska signalen på grund av den resulterande spatiotemporala tryckfördelningen. Tryckstörningen är relaterad till kompressibilitet vilket betyder elektrostriktionskraften Helmholtz. Denna kraft har varit historiskt svår att mäta och noggrant modellera , säger Iver Brevik från Norges teknisk-naturvetenskapliga universitet. "Vi kan också skilja mellan de strålningsinducerade termiska och olinjära Kerr-effekterna, och anser därför att dessa fynd är ett viktigt bidrag till ljusinducerade tryckstörningsexperiment i dielektriska vätskor", säger Daniel Razansky från University of Zurich och ETH Zurich .
"Experimentet är ett betydande steg framåt när det gäller att formulera en exakt tids- och positionsberoende optisk kraftteori, som är teoretiskt och experimentellt verifierad på ett entydigt sätt. I synnerhet verifierar experimentet kvantitativt den axiella komponenten av den optiska kraftdensiteten för en optisk stråle. Det som fortfarande återstår att experimentera med är mätningen av den longitudinella kraftkomponenten", säger Stephen Bialkowski från Utah State University.
Utöver experimenten tog forskarna fram en teoretisk modell för att förklara deras resultat. "Ytterligare arbete behövs för att korrekt förstå olika aspekter av modellen från den speciella relativitetsteorin synvinkel," tillade Bruno Anghinoni och Luis Malacarne.
Studien utökar Nobelpristagaren Arthur Ashkins upptäckter, som han använde för att utveckla en optisk pincett för att manipulera små partiklar av materia med ljus. "Den nya forskningen främjar vår förståelse av hur ett optiskt fält som produceras av pincetten påverkar det deformerbara materialet som manipuleras", tillade Nelson Astrath och Tomaž Požar.
"Forskningen skulle kunna användas inom biologi eller medicin, bland andra potentiella tillämpningar. Om optisk elektrostriktion kan användas för att kontrollera materiens mekaniska egenskaper kan den potentiellt användas i optiska mikroelektromekaniska system", säger Jukka Tulkki från Aalto-universitetet.
Studien "Avslöja bulk- och ytstrålningskrafter i en dielektrisk vätska" har publicerats i Light:Science &Applications . + Utforska vidare
