青岛科技大学：创造了一种能拉动宏观物体的光学牵引光束

​研究人员表明，激光可以被用来将一个宏观物体拉向它。为了做到这一点，他们开发了一种石墨烯-二氧化硅复合结构，该结构在远离激光的一面会变热。这导致背面的气体分子接受更多的能量，将物体推向光源。资料来源：青岛科技大学，王磊

研究人员已经开发出一种利用激光拉动宏观物体的方法。尽管之前已经展示过微观的光学牵引光束，但这是第一次将激光拉动用于较大的物体。

光包含能量和动量，可用于各种类型的光学操纵，如悬浮和旋转。例如，光学镊子是常用的科学仪器，使用激光来夹住和操纵微小的物体，如原子或细胞。在过去的十年里，科学家们一直在研究一种新型的光学操纵方式：利用激光创造一种可以拉动物体的光学牵引光。

"在以前的研究中，光的牵引力太小，无法拉动宏观物体，"来自中国青岛科技大学的研究小组成员王磊说。"用我们的新方法，光的拉力有更大的振幅。事实上，它比用于驱动太阳帆的光压要大三个数量级，后者利用光子的动量来施加一个小的推力"。

在《光学快报》杂志上，王和同事证明了他们设计的宏观石墨烯-二氧化硅复合物体可以在稀薄的气体环境中用于激光拉动。这种环境的压力比大气压低得多。

"王说："我们的技术提供了一种非接触和长距离的拉动方法，这可能对各种科学实验有用。"我们用来展示该技术的稀薄气体环境与火星上的情况类似。因此，它可能有一天有可能在火星上操纵车辆或飞机。"

创造足够的力量

在这项新工作中，研究人员设计了一种专门用于激光拉动的特殊石墨烯-二氧化硅复合结构。当用激光照射时，该结构会产生一个反向的温度差，这意味着远离激光的一面会变得更热。

当由石墨烯-二氧化硅复合结构制成的物体被激光束照射时，其背面的气体分子会收到更多的能量，并将物体推向光源。将这一点与稀薄气体环境的低气压相结合，研究人员能够获得足以移动宏观物体的激光拉力。

使用一个由他们的石墨烯-二氧化硅复合结构制成的扭转-或转动-摆装置，研究人员以肉眼可见的方式展示了激光拉动现象。然后他们用传统的重力摆来定量测量激光拉力。两个装置都大约有五厘米长。

可重复、可调整的拉动

"我们发现，拉力比光压大三个数量级以上，"王说。"此外，激光拉动是可重复的，而且力可以通过改变激光功率来调控。"

研究人员提醒说，这项工作只是一个概念证明，该技术的许多方面需要改进，然后才能实用。例如，需要一个系统的理论模型来准确预测给定参数的激光拉力，包括物体的几何形状、激光能量和周围介质。研究人员还希望改进激光拉动策略，使其能在更广泛的气压范围内工作。

"王说："我们的工作表明，当光、物体和介质之间的相互作用被仔细控制时，对宏观物体进行灵活的光操纵是可行的。"它还显示了激光与物质相互作用的复杂性，许多现象在宏观和微观尺度上都远未被理解。

更多信息：Lei Wang等，基于稀薄气体中克努森力的宏观激光拉动，Optics Express (2022)。doi: 10.1364/oe.480019

本文由光电查搜集整理，未经同行评议，请自行判断可信度。仅供学习使用。