Işık ile minik güçlerin ölçülmesi

UYANIŞ SEANSI-2│ 3. Göz Nasıl Açılır? ????️ Frekans Nedir? • Bizi Nasıl İyileştirir? (Haziran 2019).

Anonim

Fotonlar tuhaf: Kütle yok, ama momentumları var. Ve bu da araştırmacıların fotonlarla mantıklı şeyler yapmasına izin veriyor, örneğin etrafındaki maddeyi itmek için ışık kullanmak gibi.

Son zamanlarda, kimyager Gordon Shaw'un liderliğindeki bir grup bilim adamı, NIST'in Fiziksel Ölçüm Laboratuvarı'nda (PML) bu özelliği, metroloji topluluğu tarafından geleneksel olarak az hizmet alan bir alan oluşturan ve ölçen aygıtlar geliştirmek için kullanıyor.

Shaw, “Bu küçük güçler için çok az referans var” diyor. "Bu, denemek ve bunlara ulaşmak için bir yoldur."

Shaw "küçük" derken, o küçük demektir. Resmi SI birimi, Newton'dur. Bir newton, ortalama büyüklükte bir elmanın ağırlığına eşittir. Grubun üzerinde çalıştığı deneyler, bir newtonun küçük kesirleri olan kuvvetleri ölçebilir - mikronewtonlardan (10 -6, bir newtonun milyonları) 15 femtonewton'a kadar (10-15 milyon dolarlık bir newton), atomik etkileşim düzeyinde. Shaw, bir piconewton (10 -12) "bir DNA molekülünü dışarı çeker" diyor.

PML ekibi şu anda küçük güçleri güvenilir bir şekilde oluşturmak için lazer ışığı kullanan iki tip güç ölçüm cihazı geliştirmektedir. Birincisi, mikro-watatt-power ışığını kullanabilen çip boyutlu bir sensördür. İkincisi, yaklaşık 1 watt'lık lazer ışığı için tasarlanmış, ancak onlarca kilowatt'lık güç ışığında potansiyel olarak geliştirilebilecek bir masa üstü kontrastür.

Nihai ticari kullanımlar, bilim adamlarının aygıtlarının gerçekten doğru bir şekilde güç ölçümlerini yapmalarını sağlayan, yerleşik referans olarak lazer ışığı kullanan sensörler içerebilir. Ancak potansiyel uygulamalar, bir miligram veya daha az kütlelerin neredeyse anında ölçümü için ucuz alan-taşınabilir dengelere ve ölçümlerini gerçek zamanda yapan kompakt lazer güç ölçüm cihazlarına zorlamanın ötesine geçer.

Bir Yonga Ölçekli Dengesi

Ekip tarafından geliştirilen iki tür güç ölçerden daha küçük olanı, kaynaşmış kuartzdan yapılmış çip boyutlu bir sensördür. Küçük bir konsoldan oluşur - minyatür bir dalış panosu - 1 cm'den az uzunlukta. Kuvvet ne kadar büyük olursa, konsol hareket eder. Yerleşik bir interferometre bir hareket sensörü olarak görev yapar. (Bir gösteri için yukarıdaki animasyona bakın.)

Dalış tahtasını fiziksel olarak itmek, ölçüm için bir kuvvet uygulamak için bir yoldur. Ancak araştırmacıların ayrıca sensörlerinin hassasiyetini ölçmeleri gerekiyor. Duyarlılığı ölçmenin en iyi yolu, direkten iyi bilinen bir kuvvet uygulamak ve interferometrenin bunu nasıl yorumladığını görmektir.

Direkleri ışıkla manipüle etmek için, üzerine optik bir fiberden gelen ışığı yansıtan yüksek yansıtıcı, altın kaplamalı bir yüzeye yerleştirirler. Bu ışık altın yüzeye çarptığında, momentumunu titreşmeye başlayan konsol ile aktarır.

“Bir tuning çatalı düşünürseniz, vurabilir ve belirli bir frekansta veya belirli bir tonda çalar. Bu aynı şeyi yapar, ” diye açıklıyor Shaw.

Lazer ışığını yüzeyden yansıtırsanız, gücün lazer gücüne dayanması gerektiğini hesaplamanın nispeten kolay bir yolunu buldular. Güç ne kadar yüksek olursa, oradaki fotonlar o kadar fazla olur ve üretilen kuvvet o kadar büyük olur.

Dahası, konsolun rezonans frekansı neredeyse bir kütle yerleştirilirse hemen değiştiği için, mekanizma çok hassas bir denge olarak da kullanılabilir - özellikle son derece değerli veya tehlikeli olan nesneler için. Örneğin kuyumcular, değerli taşların tartılması ve fiyatlandırılması için daha ucuz bir alternatif olarak kullanabilirler. Tehlikeli maddelerin örneklerini ölçmek için potansiyel olarak tarla taşınabilir, tek kullanımlık bir alet olarak kullanılabilir.

Bu tasarımdaki varyasyonlar atomik kuvvet mikroskoplarının kalibrasyonunu geliştirmek ve hatta lazer gücünü ölçmek için de kullanılabilir. Lazer gücünün ölçülmesi için mevcut "altın standart" yönteminden farklı olarak - bir kriyojenik radyometre - bu gibi bir çip tabanlı lazer güç ölçeri, oda sıcaklığında ve gerçek zamanda kullanılabilir.

Shaw, “Çoğu lazer güç ölçer ışığı emerek çalışır. Işık, lazer güç ölçüm cihazına gittikten sonra, ” diyor. "Böyle bir yaklaşımla, yansıtır ve hala kullanabilirsiniz."

Tek Fotonın Gücü

Ama şimdiye kadar kullandıkları en düşük lazer güçlerinde bile - sadece bir watt değerinin milyonları - ışık hala çok sayıda foton içerir. Shaw bir gün, tek foton algılayabilen bir kuvvet ölçüm cihazı geliştirmeyi ümit ediyor. Nedeni, tamsayıların belirsizlik içermemesidir; Tek tek fotonları sayarsanız ve her bir fotonın ne kadar güç ürettiğini bilirseniz, o zaman gücü hesaplayabilirsiniz.

Shaw, “Bu, potansiyel olarak doğru bir şekilde ölçebilirsek, en kesin kuvvet ölçümüdür” diyor.

Şöyle belirtilmiş olan şemada, saniyede 100 milyon fotonluka dönüşen sadece zeptonewton kuvvetini (10 -21) ölçmek gerekir; Ancak, o açıklıyor, neredeyse orada değiller. Ve biraz zaman alacak.

Bir şey için, tek fotonlu kuvvet sensörlerini mutlak sıfırın üzerindeki bir dereceye kadar olan bölümlere kadar nasıl soğutmanın gerektiğini anlamak zorundadırlar, bu da bir kriyostat gerektirir. Ancak, zor yolu öğrendiklerinde, tipik bir kriyostat, bu hassas ölçümler için çok fazla titreşim yaratır - kabul edebileceklerinden 10, 000 daha fazla bir faktör.

Prototiplerini yeni, daha az titrek bir kriyostat tasarımında test etmeye hazırlarken, titreşim sorununu farklı bir problem için potansiyel bir çözüme dönüştürdüler.

Shaw, “Kuvvet sensörlerini, kriyostatların gerçekten ne kadar titreşim oluşturduğunu ölçmemize izin veren hızölçerler olarak kullanabildik” diyor. "Bu, tipik olarak elde edilmesi çok zor olan bir yerde, titreşimin yerinde test edilmesi için bir yoldur."

Elektrostatik Kuvvet Dengesi

Son olarak, ekip, yüksek lazer güçlerinin yarattığı güçleri kullanan ve potansiyel olarak metallerin kaynağı ve kesilmesi gibi endüstriyel uygulamalarda kullanılanlar gibi onlarca kilowat kadar yüksek deneyler üzerinde çalışıyor.

Şu anda 1 watt'lık bir lazer için tasarlanan deney, elektrostatik kuvvet dengesi (EFB) adı verilen bir masaüstü cihaz kullanıyor. Yonga büyüklüğünde kuzeni gibi, EFB de ölçülecek bir kuvvet oluşturmak için yüksek yansıtıcı bir aynaya ve bir lazere dayanır. Fakat bir interferometre kullanmak yerine EFB, plakaları iki eş merkezli silindir olan bir kapasitör tarafından üretilen elektrostatik gücü ölçer. Vakumda, araştırmacılar aynadan 1 watt'lık bir lazeri yansıtıyor, daha sonra bu gücü kapasitörü kullanarak elektronik olarak ölçüyorlar.

Daha küçük sensörde olduğu gibi, bu ölçümlerde kullanılan lazer ışığı kaybolmaz: Aynadan fırlar ve - teoride - doğrudan bir fabrika zemininde lazer işleme prosesinde kullanılabilir.

Shaw, bu yüksek güçlü lazer ışınları için bile yaratılan güçlerin "gerçekten çok küçük" olduğunu söylüyor. "1 wattlık bir lazer ışını için nanonewton'lardan bahsediyoruz. Eğer iki atomu birbirinden ayırırsanız, birkaç nanonewtonu kırar (10 -9)."

Shaw, miligram ölçekli nesnelerden atomik etkileşimlere kadar geniş bir aralıkta kuvvet, kütle ve lazer gücünün doğru ölçümleri için esas olarak bir fizik prensibini kullanmanın heyecan verici olduğunu söylüyor. Shaw, “Bu hala temel araştırma aşamasında olduğundan, yeni yöntemler geliştirmek ve işleri farklı bir şekilde düşünmek için küçük bir oda var” diyor.

menu
menu