Ljusdriven rörelse är utmanande i icke-flytande miljöer eftersom föremål i mikrostorlek kan uppleva stark torr vidhäftning till kontaktytor och motstå rörelser. I en färsk studie, Jinsheng Lu och medarbetare vid College of Optical Science and Engineering, Institutionen för el- och datateknik, Engineering School och Institute of Advanced Technology i Kina och Singapore, utvecklat ett vakuumsystem och uppnått roterande rörelse där en mikrometerstor, metall hexagonal platta cirka 30 nm i tjocklek kretsade runt en mikrofiber. De drev motorn (plattfibrer) med hjälp av ett pulserande ljus, som styrdes på fibern av en optiskt upphetsad lammvåg. Förfarandet möjliggjorde en plattfibergeometri-motor som är gynnsam för optomekaniska tillämpningar i praktiken; resultaten av studien publiceras nu på Vetenskapliga framsteg .

Ljus kan inducera mekanisk rotation på distans, direkt och exakt. Ljusinducerad mikro/nanoskala rotation kan generera omfattande applikationer inom mekanisk manövrering, att manipulera biomolekyler och leverera last. I flytande miljöer, forskare har visat ljusdriven rotation genom att överföra linjär och vinkelmoment till objekt i mikrostorlek. I icke -flytande miljöer, dominerande vidhäftningskrafter förhindrar rörelse av objekt i mikrostorlek. Eftersom vidhäftning allvarligt kan hindra driften av roterande motorer som påverkas av momentumöverföring, vätska används vanligtvis för att minimera oönskade effekter.

I det nuvarande arbetet, Lu et al. avvek från denna långvariga uppfattning om att rapportera om en lättdriven motor, där vidhäftningskrafterna i luften motsatt tillåter rotation. Processen assisterades av lammvågan (en termoelastisk expansion genererad av plasmonisk uppvärmning av det absorberade pulsljuset) och plattfibrernas geometriska konfiguration.

I arbetet, Lu et al. visade en ljusaktiverad mikromirror med en skanningsupplösning på 0,001 grader. De kontrollerade motorns rotationshastighet och stoppupplösning (guldplatta på en mikrofiber) genom att variera upprepningshastigheten och pulsvågen i installationen. Forskarna visade motorkrypningen stegvis, med sub -nanometer rörelseupplösning i experimentet. Arbetet erbjuder en oöverträffad applikationspotential för att integreras i mikro-opto-elektromekaniska system, all-optisk precisionsmekanik och kontroller i yttre rymden, och som laserskanning för miniatyr lidarsystem (ljusbaserade navigations-/kartsystem).

För att konstruera mikrofiberna, Lu et al. använde en flammeuppvärmd ritningsteknik och syntetiserade guldplattan med en enda kristall med en atomisk slät yta, i form av hexagoner eller trianglar som tidigare rapporterats. De suspenderade sedan experimentellt den enhetligt findragna optiska mikrofibern i luft, eller dammsuga och placerade guldplattan på den med hjälp av en sond. De använde skanningelektronmikroskopi (SEM) för att se platt-mikrofiber-systemet. Under momentana på/av -rörelser av en kontinuerlig våg (CW) laser, forskarna observerade subtilt svag azimutal rörelse av guldplattan. Rörelsen berodde på utvidgning/sammandragning av guldplattan, den oavsiktliga effekten utlöste den pulserade leveransen av ett superkontinuumljus i mikrofibern.

Med denna process, forskarna visade hur guldplattan kretsade kring mikrofibern när ljuspulserna styrdes in i upplägget där Van der Waals styrkor var ansvariga för plattans täta vidhäftning till mikrofibern. Tillfälligtvis, eftersom skillnaden mellan guldplattan och mikrofiber var så liten, Van der Waals styrkor blev dominerande. När forskarna utförde samma experiment i vätska, vidhäftningskrafterna blev mindre, i detta fall flyttade guldplattan bort från mikrofibern och slutade rotera, visar nödvändigheten av vidhäftningskrafter för rörelse i denna inställning.

Motorn arbetade också i vakuum, där gastrycket var cirka nio storleksordningar lägre än i luft. Rotationshastigheten var linjärt proportionell mot repetitionshastigheten för ljuspulser och ökade linjärt, för att visa att en enda ljuspuls kan aktivera motorn för att rotera i en extremt fin vinkel. Lu et al. använde en vågformsgenerator för att producera en signal som kunde trigga ljuskällan att avge ett visst antal pulser och beräknade vinkeln mellan mikrofiber och platta med hjälp av projektionsmetoden. Varje ljuspuls aktiverade motorn för att rotera i en konstant vinkel. Forskarna bekräftade detta resultat med ytterligare experiment.

Forskarna utesluter optiska krafter som drivkraft under rotation, eftersom användningen av CW -laserkällor med olika våglängder inte orsakade någon rotation; endast en pulsad ljuskälla med en enda våglängd (1064 nm) kunde driva motorn att rotera. Indikerar att pulser spelade en viktig roll för att generera rörelse. Tidigare studier hade på samma sätt visat att pulserande ljus kan excitera koherenta fononer för att inducera gitter expansion och kontraktion, att sprida ljusinducerade akustiska vågor för många praktiska tillämpningar inom optofluidik och biobildning.

Föreliggande resultat observerades specifikt sedan Lu et al. genererade en pulserad ljusinducerad lammvåg på den tunna guldplattan placerad på ytan av mikrofibern, för att flytta plattan över mikrofiberytan. De belyste fenomenet genom att förklara att först när en pulsad laser är fokuserad på en linje på ytan av en ljusabsorberande film, ytakustiska vågor som kallas Rayleigh -vågor kan genereras. Det pulserade ljuset absorberas sedan av filmen för att lokalt värma ytan, orsakar termoelastisk expansion för att generera ytakustiska vågor som kan rengöra vidhäftande partiklar på ytan. Rayleigh- och Lamb -vågen har liknande rörelsemönster, därför, till exempel, när tjockleken på en film/platta är mindre än våglängden för en Rayleigh -våg, Rayleigh -vågen kommer gradvis att övergå till en lammvåg.

För ytterligare inblick i mekanismen, forskarna genomförde ändliga elementkopplade termiska och elastiska simuleringar. Resultaten bekräftade de experimentella resultaten och indikerade att förökningsriktningen för lammvågen som genererades i plattmikrofibersystemet var oberoende av riktningen för ljusutbredning i mikrofibern.

Lu et al. föreslå att man använder den nanoskala-motor som sålunda utvecklats inom en rad olika områden, inklusive mikro-opto-elektromekaniska system i yttre rymden, under energiomvandling och i vakuumhögprecisionsmekanik. Den roterande plattan kan också användas som en scanning mikromirror för att avleda en laserstråle som visas i studien, för laserscanning i miniatyr lidarsystem för att kartlägga världen i 3D eller som laserdisplaysystem och optisk modulering/växling för integrerade mikrosystem. Den nya upptäckten av ljusaktiverad rörelse kan öppna en ny era av optisk körning och manipulation med sub-nanometerupplösningen för rörelse för kontrollerad rörelse. Arbetet kommer att göra det möjligt för fysiker och materialforskare att utforska det nya landskapet för optisk nanomanipulation i miljöer som kräver ett nytt paradigm, bortom den befintliga vätskebaserade funktionen.

© 2019 Science X Network