Художественное изображение радиального распределения давления в воде, возбуждаемого коротким лазерным импульсом длительностью 9 нс. Зондирующий луч, воспринимающий эффекты, показан красным. Предоставлено: Университет Маринги.

Поскольку свет представляет собой явление электромагнитной волны , известно, что лазерный луч, проходящий сквозь воду, взаимодействует с ней посредством процесса, называемого электрострикция, который подразумевает, что вода сжимается по направлению к оси лазерного луча. Это явление похоже на выдавливание тюбика зубной пасты; паста проталкивается внутрь, что также перемещает ее по тюбику, вытесняя из него некоторое количество зубной пасты.

Теперь международная группа исследователей измерила плотность силы, создаваемой лазерным светом в толще воды при прохождении через нее. «Это первый раз, когда была измерена плотность силы, действующей на свет внутри материи; в более ранних экспериментах измерялись только силы на границе раздела различных материалов или суммарные силы, действующие на мелкие частицы», — говорит Нельсон Астрат из Universidade Estadual de Маринга.

Та же аналогия помогает объяснить, как исследователям удалось измерить крошечную силу света. Закрывая концы наполненного водой тюбика стеклянными пластинами, они эффективно надевают колпачок обратно на тюбик с зубной пастой. «Таким образом, кратковременное сжатие больше не могло вытеснять воду вдоль пути лазера, что делало доминирующим эффектом упругие волны , генерируемые электрострикцией , уходящие от лазерного луча», — говорит Томаж Пожар из Университета Любляны. Измерив свойства этой волны, исследователи смогли рассчитать задействованные силы.

Упругие волны, пойманные между стенками кюветы

Эксперименты, проведенные в Бразилии, должны были контролировать другие взаимодействия, которые могли бы перекрыть этот эффект. «Например, лазеры нагревают небольшое количество воды на короткое время, заставляя ее расширяться», — говорят Мауро Бессо и Габриэль Флизиковски из Universidade Estadual de Maringá. Чтобы избежать этого, команде пришлось использовать сверхчистую воду, в которой не было ничего, что нагревалось бы, поглощая больше электромагнитной энергии, чем сама чистая вода. Длина волны лазера также тщательно контролировалась, чтобы свести к минимуму поглощение.

«Электрострикция подразумевает, что атомы группируются ближе друг к другу, увеличивая плотность. Это сужение противоположно тепловому расширению, которое обычно следует за электромагнитным поглощением при комнатной температуре. Из-за этого сжатие можно измерить только в материалах с очень небольшим электромагнитным полем. поглощения», — говорит Микко Партанен из Университета Аалто.

«Объемные и граничные оптические силы в жидкости можно наблюдать в извилистом оптическом сигнале из-за результирующего пространственно-временного распределения давления. Возмущение давления связано со сжимаемостью, что означает электрострикционную силу Гельмгольца. Исторически эту силу было трудно измерить и точно смоделировать. », — говорит Ивер Бревик из Норвежского университета науки и технологий. «Мы также можем различать радиационно-индуцированные тепловые и нелинейные эффекты Керра, поэтому считаем эти результаты важным вкладом в эксперименты по индуцированному светом возмущению давления в диэлектрических жидкостях», — говорит Даниэль Разанский из Цюрихского университета и ETH Zurich.

«Эксперимент является значительным шагом вперед в формулировании точной теории оптической силы, зависящей от времени и положения, которая однозначно подтверждается теоретически и экспериментально. В частности, эксперимент количественно проверяет осевую составляющую плотности оптической силы для Оптический луч. Что еще предстоит поэкспериментировать, так это измерение продольной составляющей силы», — говорит Стивен Бялковски из Университета штата Юта.

В дополнение к экспериментам исследователи создали теоретическую модель для объяснения своих результатов. «Необходима дальнейшая работа, чтобы правильно понять различные аспекты модели с точки зрения специальной теории относительности», — добавили Бруно Ангинони и Луис Малакарн.

Исследование расширяет открытия лауреата Нобелевской премии Артура Ашкина, которые он использовал для разработки оптического пинцета для манипулирования крошечными частицами материи с помощью света. «Новое исследование способствует нашему пониманию того, как оптическое поле, создаваемое пинцетом, влияет на деформируемое вещество, с которым манипулируют», — добавили Нельсон Астрат и Томаж Пожар.

«Исследование может быть использовано в биологии или медицине, среди других потенциальных приложений. Если оптическую электрострикцию можно использовать для управления механическими свойствами материи, ее потенциально можно использовать в оптических микроэлектромеханических системах», — говорит Юкка Тулкки из Университета Аалто.

Исследование «Выявление объемных и поверхностных радиационных сил в диэлектрической жидкости» было опубликовано в журнале Light: Science & Applications .