(a) фотография созданного светового паруса в неполяризованном свете, (b) фотография в поляризованном свете, показывающая периодическую структуру дифракционных решеток, (c) схема ориентации осей анизотропии жидких кристаллов, показывающая противоположное направление на двух половинах паруса
Y.-J. L. Chu et al. / Physical Review Letters, 2019
Физики создали маленький световой парус из дифракционных решеток, который самостоятельно смещается к центру ускоряющего лазерного луча. Объект сантиметрового размера, отклоняющий свет в разные стороны, начинал колебаться при рассогласовании положения паруса и центра потока излучения. При этом удалось добиться затухания этого движения и достижения оптимальных параметров разгона, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.
Солнечный или, в более общем случае, световой парус — это принцип ускорения космических аппаратов, который опирается на принципы давления света. Так как любой поток электромагнитных волн переносит не только энергию, но и импульс, используя излучение достаточно мощного источника (например, Солнца), можно разгонять космические аппараты до высоких скоростей — это позволит за относительно короткое время достичь ближайших планетных систем.
Свечение естественных объектов, в том числе звезд, однако, неидеально, так как его энергия распределена по широкому спектру частот, с которыми разгоняемый объект будет взаимодействовать по-разному. В связи с этим возникли идеи ускорения космических аппаратов посредством передачи импульса от системы наземных или орбитальных лазеров, хотя и она не лишена недостатков.
С первого взгляда может показаться, что лучшим вариантом может быть аппарат с зеркальной поверхностью: для него эффективность передачи импульса от излучения самая высокая. Но в этом случае, однако, необходимо следить за попаданием лазерного луча ограниченного размера на поверхность тела. Если использовать обычное зеркальное покрытие, то добиться попадания можно только активной корректировкой траектории или направления потока электромагнитных волн. А вот если вместо отражения использовать отклонение света, то возникает сила, действующая поперек луча: в таком случае можно обеспечить оптимальное положение и ускорение.
Физики под руководством Гровера Шварцландера (Grover Swartzlander) из Рочестерского технологического института впервые продемонстрировали возможность удержания отклоняющего свет аппарата под воздействием лазерного луча. Эксперименты проводились на созданном учеными сантиметровом зонде из двух дифракционных решеток: в качестве диспергирующего элемента использовали нематические жидкие кристаллы, организованные в периодические структуры с помощью полимерной пленки. Ось анизотропии вещества поворачивалась в плоскости паруса, делая полный оборот при прохождении определенного расстояния, благодаря чему свет круговой поляризации испытывал дифракцию при взаимодействии с поверхностью. При освещении такого тела лазерным лучом нужной длины волны не по центру возникала возвращающая сила величиной порядка наноньютонов, возвращающая зонд в положение, в котором лазер попадает в центр паруса.
Такая система, однако, начинает колебаться около положения равновесия, поэтому авторы также продемонстрировали возможность работы системы в режиме параметрических колебаний: они позволяют эффективно снижать амплитуду отклонения от положения равновесия с помощью изменения мощности лазера во времени.
На следующем шаге ученые хотят провести эксперименты с настоящим (но все еще небольшим) космическим аппаратом, который можно было бы запустить с борта Международной космической станции. В перспективе также можно протестировать технологию с помощью путешествия к Солнцу или астероиду.
По информации https://nplus1.ru/news/2019/12/17/aligning-light-sail
Обозрение "Terra & Comp".
