Тиск електромагнітного випромінювання на дуже тонкі провідники
DOI:
https://doi.org/10.26565/2311-0872-2025-42-05Ключові слова:
тиск пучка випромінювання, тонке волокно, дріт, левітаціяАнотація
Актуальність. Механічна дія лазерного випромінювання в оптичному діапазоні використовується для левітації, утримання і транспортування мікрочастинок. Тут використовується те, що пучок випромінювання тисне на частинку, втягує її в область великої інтенсивності поля й утримує її там. У мікрохвильовому діапазоні створення подібних пристроїв зустрічає великі труднощі, пов'язані з тим, що дифракція не дає змоги здійснити гостре фокусування пучка, тому діаметр фокальної плями виходить не меншим за 1 сантиметр. Неможливо отримати таку велику концентрацію енергії випромінювання, як в оптичному діапазоні, де діаметр фокальної плями може бути не більшим за 1 мікрометр.
Мета роботи Ці труднощі можна подолати, якщо використовувати ефект сильного поглинання і розсіювання мікрохвильового випромінювання дуже тонкими провідниками - металевими дротами, графітовими і напівпровідниковими волокнами.
Матеріали та методи. У статті проведено теоретичний аналіз ефекту сильного тиску мікрохвильового випромінювання на тонкі провідники. Виведено умову максимуму тиску випромінювання - співвідношення між довжиною хвилі випромінювання, діаметром провідника та його провідністю. У максимумі фактор ефективності тиску мікрохвильового випромінювання дуже великий - сотні й тисячі.
Результати. Проведено аналіз можливості левітації та керування рухом тонких металевих мішеней за допомогою мікрохвильового випромінювання. Мішенями можуть бути металеві провідники діаметром кілька мікрометрів і довжиною кілька міліметрів. Фокусувати випромінювання на мішень немає необхідності. Проведено вимірювання сил, що діють на тонкі провідники. Для цього використано торсіонні ваги з підвісом із дроту діаметром кілька мікрометрів і оптичним відліком кута повороту. Результати розрахунків і результати експерименту добре збігаються один з одним.
Посилання
Maxwell, J.C.: A treatise on electricity and magnetism. Oxford, Clarendon Press (1873).
Lebedev, P.: Untersuchungen uber die Druckkrafte des Lichtes. Annalen der Physik (in German) 4(6), 433-458 (1901). https://doi.org/10.1002/andp.19013111102
DOI: https://dx.doi.org/10.1002/andp.19013111102
Poynting, J.H.: The pressure of light. London, Society for Promoting Christian Knowledge (1910). https://doi.org/10.5962/bhl.title.31216
Cullen, A.L.: A general method for the absolute measurement of microwave power. Proc. IEE. 99(4), 112-120 (1952). https://doi.org/10.1049/pi-4.1952.0013
Barlow, H.E.M.: A new propositions on measurement of microwave power by radiation pressure. Proc. IEE. 113(7), 1243-1247 (1966).
Barlow, H.E.M., Cross, P.H.: Device for measuring of absolute power 35 GHz by radiation pressure. Proc. IEE. 117(4), 853-856 (1970).
Valitov R.A. Ponderomotive forces of electromagnetic waves and the possibilities of their application. Proc. Faculty of Radiophysics Kharkiv National Univ. vol. 3, 1959.
Orlov, V.G.: New types of ponderomotive measuring instruments on microwaves. Proc. Faculty of Radio-physics Kharkiv National Univ. 7, 122-134 (1962).
Kokodii, N.G., Yefimov, V.F., Timoshenko, V.N., Susenko, L.N., Krysiuk V.Ya.: Measuring the spatial-energy characteristics of high-power laser radiation using the ponderomotive method. Proc. Inst. Radio-physics and Electronics AS USRR 33, 194-206 (1988).
Valitov, R.A., Kukush, V.D., Orlov V.G.: Experiment on direct conversion of microwave electromagnetic field energy into mechanical work. Proc. Faculty of Radiophysics Kharkiv National Univ. 5 (1961).
Ashkin, A.: Acceleration and trapping of particles by radiation pressure. Phys. Rev. Lett. 24(4), 156-159 (1970). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.24.156
Ashkin, A.: The pressure of laser radiation. Advances in Physical Sciences 110(11), 156-159 (1973).
Shwarz, K., Dauletbekova, A., Sorokin, M.: Light pressure: optical tweezer and biology. Bulletin of L.N. Gumilyov ENU. Physics, Astronomy series 135(2), 69-73 (2021).
Andriyanov, V.Yu., Chadiuk, V.O.: A model of capture of a dielectric nanoparticle by laser tweezer. Proc. XI Conf. Promising directions of modern electronics, NTU KPI (2019).
Tashtimirova, G.D.U., Savchenko, E.A., Aksenov, E.T., Kuptsov, V.D.: Optical tweezers based on Bessel beams. Saint-Petersburg Polytechnic University. Photonics and informatic Optics., pp. 521-523 (2021).
Jones, P.H., Marago, O.M., Volpe, J.: Optical tweezers: principle of work and applications. Introduction. Cambridge University Press (2015). https://doi.org/10.1017/CBO9781107279711.002
Padgett, M.J., Molloy, J.E., McGloin, D.: Optical Tweezers: Methods and Applications. CRC Press London, New York, (2010).
Pettit, R.M., Ge, W., Kumar, P. et al. An optical tweezer phonon laser. Nat. Photonics 13, 402–405 (2019). https://doi.org/10.1038/s41566-019-0395-5
Kuzmichev, V.M., Kokodii, N.G., Safronov, B.V., Balkashin, V.P.: Values of the absorption efficiency factor of a thin metal cylinder in the microwave band. Journal of Communications Technology and Elec-tronics 48(11), 1240–1242 (2003).
Akhmeteli, A., Kokodii, N., Safronov, B, Balkashin, V., Priz, I., Tarasevich, A.: Efficient non-resonant absorption of electromagnetic radiation in thin cylindrical targets: experimental evidence. Bulletin of the American Physical Society (2015) https://doi.org/10.1117/12.2053482.
Kokodii, N.G., Kaydash, M.V., Timaniuk, V.A., Priz, I.А: Interaction of electromagnetic radiation with a thin metal wire in the case of a glancing incident wave. Journal of Communications Technology and Elec-tronics (2017). https://doi.org/10.1134/S1064226917130010.
Kokodii, M.G., Natarova, A.O., Genzarovskiy, A.V. et al. Interaction between thin conductive fibers and microwave radiation. Opt Quant Electron 55, 256 (2023). https://doi.org/10.1007/s11082-022-04389-x
Kokodii, N., Maslov, V., Gurina, D. et. al. On the possibility of efficient energy transfer of electromagnetic radiation to very thin wires. Proc. 6th Int. Conf. on Optics, Photonics and Lasers (OPAL’2023), pp. 71-74 (2023).
Kalambet, M.S., Kokodii, N.G., Maslov, V.A., Muntean, K.I.: Diffraction resonances and absorption of electromagnetic radiation in conducting cylinders. Proc. 2020 IEEE Ukrainian Microwave Week (UkrMW), Kharkiv, pp. 720-725 (2020). https://doi.org/10.1109/UkrMW49653.2020.9252765
Van de Hulst, H.C.: Light scattering by small particles. NY, Wiley, 1981.
Kerker, M.: The scattering of light and other electromagnetic radiation. N.Y. and London, Academic Press (1969).
Corless, R.M., Gonnet, G.H., Hare, D.E.G. et al. On the LambertW function. Adv Comput Math 5, 329–359 (1996). https://doi.org/10.1007/BF02124750
Kokodii, N.G., Pogorelov, S.V., Timaniuk, V.A., Krasovskyi, I.V.: The laser radiation pressure on nanocapsule (the ability to move). Proc. Int. Conf. Laser Optics (ILCO-2020), 9285825 (2020).
Debye, P.: Der Lichtdruck auf Kugeln von beliebigem Material. Annalen der Physik, Vierte Folge (in German), 30(1), 57-136 (1909). https://doi.org/10.1002/andp.19093351103
Kokodii, N.G., Natarova, A.O., Gurina, D. et. al. The effect of anomaly strong absorption of electromagnet-ic radiation by thin conductive fibers. Radiophysics and Radioastronomy, 29(1), 76—82 (2024). https://doi.org/10.15407/rpra29.01.76
