مقاله اندازه گیری فشار تشعشع مستقیم برای غشای نورافکن

چکیده

Ultrathin lightsails propelled by laser radiation pressure to relativistic speeds are currently the most promising route for flyby-based exoplanet exploration. However, there has been a notable lack of experimental characterization of key parameters essential for lightsail propulsion. Therefore, a model platform for optomechanical characterization of lightsail prototypes made from realistic materials is needed. We propose an approach for simultaneous measurement of optical forces and driving powers, which capitalizes on the multiphysics dynamics induced by the driving laser beam. By modelling the lightsail with a 50-nm thick silicon nitride membrane suspended by compliant micromechanical springs, we quantify force from off-resonantly driven displacement and power from heating-induced mechanical mode softening. This approach allows us to calibrate the measured forces to the driving powers by operating the device as a mechanical bolometer. We report radiation pressure forces of 80 fN using a collimated pump beam of 100 W/cm2 and noise-robust common-path interferometry. As lightsails will inevitably experience non-normal forces, we quantify the effects of incidence angle and spot size on the optical force and explain the nonintuitive trend by edge scattering. Our results provide a framework for comprehensive lightsail characterization and laboratory optomechanical manipulation of macroscopic objects by radiation pressure forces.

چکیده به فارسی (ترجمه ماشینی)

چراغهای اولتراتین که توسط فشار تابش لیزر به سرعت نسبیت گرایانه منتقل می شوند ، در حال حاضر امیدوار کننده ترین مسیر برای اکتشافات سیارات فراوان مستقر در Flyby هستند.با این حال ، عدم وجود خصوصیات تجربی از پارامترهای کلیدی که برای پیشرانش چراغهای لازم ضروری است وجود دارد.بنابراین ، یک بستر مدل برای خصوصیات اپتومکانیکی نمونه های اولیه چراغهای ساخته شده از مواد واقع بینانه مورد نیاز است.ما رویکردی را برای اندازه گیری همزمان نیروهای نوری و قدرتهای رانندگی پیشنهاد می کنیم ، که از دینامیک مولتیسیک ناشی از پرتو لیزر رانندگی استفاده می کند.ما با مدل سازی چراغ های خط با یک غشای نیترید سیلیکون ضخیم 50 نانومتر که توسط چشمه های میکرومکانیکی سازگار به حالت تعلیق درآمده است ، ما نیرو را از جابجایی و قدرت خارج از محور و قدرت از نرم شدن حالت مکانیکی ناشی از گرمایش تعیین می کنیم.این رویکرد به ما امکان می دهد تا با کارکرد دستگاه به عنوان یک تقویت کننده مکانیکی ، نیروهای اندازه گیری شده را به قدرتهای رانندگی کالیبره کنیم.ما نیروهای فشار تابش 80 FN را با استفاده از پرتو پمپ جمع شده از 100 W/cm2 و تداخل سنجی مسیر معمولی و نویز-راوباست گزارش می کنیم.از آنجا که چراغ های آتش ناگزیر نیروهای غیر عادی را تجربه می کنند ، ما اثرات زاویه بروز و اندازه نقطه را بر روی نیروی نوری تعیین می کنیم و روند غیرقانونی را با پراکندگی لبه توضیح می دهیم.نتایج ما چارچوبی را برای توصیف جامع چراغ های برق و دستکاری اپتموکانیکی آزمایشگاهی اشیاء ماکروسکوپی توسط نیروهای فشار تابش فراهم می کند.