Des chercheurs ont mis au point un moyen d’utiliser la lumière laser pour tirer un objet macroscopique. Bien que des faisceaux tracteurs optiques microscopiques aient déjà été démontrés, c’est l’une des premières fois que le tirage au laser est utilisé sur des objets plus grands.
La lumière contient à la fois de l’énergie et de la quantité de mouvement qui peuvent être utilisées pour divers types de manipulations optiques telles que la lévitation et la rotation. Les pincettes optiques, par exemple, sont des instruments scientifiques couramment utilisés qui utilisent la lumière laser pour tenir et manipuler de minuscules objets tels que des atomes ou des cellules. Depuis une dizaine d’années, les scientifiques travaillent sur un nouveau type de manipulation optique : utiliser la lumière laser pour créer un faisceau tracteur optique capable de tirer des objets.
« Dans des études précédentes, la force de traction de la lumière était trop faible pour tirer un objet macroscopique », a déclaré Lei Wang, membre de l’équipe de recherche de l’Université des sciences et technologies de QingDao en Chine. « Avec notre nouvelle approche, la force de traction lumineuse a une amplitude beaucoup plus grande. En fait, elle est supérieure de plus de trois ordres de grandeur à la pression lumineuse utilisée pour entraîner une voile solaire, qui utilise l’élan des photons pour exercer une petite poussée. Obliger. »
Dans la revue Optique Express, Wang et ses collègues démontrent que les objets composites macroscopiques graphène-SiO2 qu’ils ont conçus peuvent être utilisés pour l’extraction au laser dans un environnement de gaz raréfié. Ce type d’environnement a une pression très inférieure à la pression atmosphérique.
« Notre technique fournit une approche de traction sans contact et à longue distance, qui peut être utile pour diverses expériences scientifiques », a déclaré Wang. « L’environnement de gaz raréfié que nous avons utilisé pour démontrer la technique est similaire à ce que l’on trouve sur Mars. Par conséquent, il pourrait avoir le potentiel de manipuler un jour des véhicules ou des avions sur Mars. »
La vidéo montre un dispositif de pendule de torsion ou de rotation fabriqué à partir de la structure composite graphène-SiO2. Lorsqu’il est irradié par une lumière laser, le pendule se tourne vers la lumière. Crédit : Lei Wang, Université des sciences et technologies de QingDao
Créer suffisamment de force
Dans le nouveau travail, les chercheurs ont conçu une structure composite spéciale graphène-SiO2 spécifiquement pour le tirage au laser. Lorsqu’elle est irradiée par un laser, la structure crée une différence de température inversée, ce qui signifie que le côté opposé au laser devient plus chaud.
Lorsque des objets fabriqués à partir de la structure composite graphène-SiO2 sont irradiés par un faisceau laser, les molécules de gaz sur leur face arrière reçoivent plus d’énergie et poussent l’objet vers la source lumineuse. En combinant cela avec la faible pression atmosphérique d’un environnement de gaz raréfié, les chercheurs ont pu obtenir une force de traction laser suffisamment puissante pour déplacer des objets macroscopiques.
À l’aide d’un dispositif à pendule de torsion ou de rotation fabriqué à partir de leur structure composite graphène-SiO2, les chercheurs ont démontré le phénomène de traction laser d’une manière visible à l’œil nu. Ils ont ensuite utilisé un pendule à gravité traditionnel pour mesurer quantitativement la force de traction du laser. Les deux appareils mesuraient environ cinq centimètres de long.
Tirage répétable et réglable
« Nous avons constaté que la force de traction était supérieure de plus de trois ordres de grandeur à la pression lumineuse », a déclaré Wang. « De plus, le tirage au laser est reproductible et la force peut être ajustée en modifiant la puissance du laser. »
Les chercheurs avertissent que ce travail n’est qu’une preuve de concept et que de nombreux aspects de la technique devraient être améliorés avant qu’elle ne soit pratique. Par exemple, un modèle théorique systématique est nécessaire pour prédire avec précision la force de traction du laser pour des paramètres donnés, notamment la géométrie de l’objet, l’énergie laser et le milieu environnant. Les chercheurs aimeraient également améliorer la stratégie de tirage au laser afin qu’elle puisse fonctionner pour une plus large gamme de pressions d’air.
« Notre travail démontre que la manipulation flexible de la lumière d’un objet macroscopique est réalisable lorsque les interactions entre la lumière, l’objet et le support sont soigneusement contrôlées », a déclaré Wang. « Cela montre également la complexité des interactions laser-matière et que de nombreux phénomènes sont loin d’être compris à la fois à l’échelle macro et micro. »
Plus d’information:
Lei Wang et al, Tirage laser macroscopique basé sur la force de Knudsen dans le gaz raréfié, Optique Express (2022). DOI : 10.1364/OE.480019