激光負(fù)向牽引技術(shù)及其在空間領(lǐng)域中的應(yīng)用

孫瓊閣 劉正君 張兵 劉軍虎（ 北京電子工程總體研究所 哈爾濱工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化測(cè)試與控制系）

激光負(fù)向牽引技術(shù)及其在空間領(lǐng)域中的應(yīng)用

Negative Tractor Laser and its Application in Space

孫瓊閣1劉正君2張兵1劉軍虎1（1 北京電子工程總體研究所 2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化測(cè)試與控制系）

近年來，采用光力迫使物體運(yùn)動(dòng)的技術(shù)逐漸在航天領(lǐng)域中得到應(yīng)用，例如：太陽帆技術(shù)，然而這種物體的運(yùn)動(dòng)是背向光源的。通過光來實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的吸引一直是人類的夢(mèng)想，隨著光力的證實(shí)和激光矢量調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，這種夢(mèng)想逐漸成為可能。作為功率密度最高的光源，用激光牽引物體向著光源運(yùn)動(dòng)，通過對(duì)激光光場(chǎng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)光力對(duì)微粒的逆光吸引，是目前最前沿的科學(xué)研究之一。而這類實(shí)驗(yàn)的成功，使得科學(xué)家們對(duì)這種研究的興趣達(dá)到了高峰，并被美國航空航天局（NASA）認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)非接觸式吸引物體的超前技術(shù)。

1 光力概述

光對(duì)被照射物體施加光力的概念，最早由德國數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家開普勒在1619年觀測(cè)彗星時(shí)提出。1871年，麥克斯韋在理論上證實(shí)了光力現(xiàn)象。對(duì)于一個(gè)以光速運(yùn)動(dòng)著的光子，它具有傳統(tǒng)意義上的動(dòng)量，稱其為線性動(dòng)量，其值為普朗克常數(shù)除以波長。光照射在物體上，因線性動(dòng)量的交換而施加力的作用，最初稱之為輻射壓力。輻射壓力很小，僅有10-6N/m2，所以人們很難察覺。

作為光功率密度最高的光源，激光的發(fā)明使得光力得到了實(shí)際的應(yīng)用，最典型的例子就是光鑷，是激光與物質(zhì)間進(jìn)行動(dòng)量傳遞時(shí)形成的三維光學(xué)勢(shì)阱。1970年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Arthur Ashkin等人第一次觀測(cè)到僅依靠激光產(chǎn)生的輻射壓力，使微米量級(jí)的粒子被穩(wěn)定地俘獲在光勢(shì)阱中。微粒在光梯度力作用下朝向焦點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)微粒還受到了激光產(chǎn)生的輻射壓力，推動(dòng)其遠(yuǎn)離光源。當(dāng)梯度力和散射力達(dá)到平衡時(shí)，微粒就會(huì)被俘獲在焦點(diǎn)附近。光鑷適用于操控介觀物質(zhì)，已經(jīng)成為光操控領(lǐng)域中一種發(fā)展很成熟的工具，但只能實(shí)現(xiàn)對(duì)微小微粒的短距離移動(dòng)。

光束聚焦在微粒中心正上方時(shí)受力原理圖

除了線性動(dòng)量之外，光子也具有自旋角動(dòng)量。1909年，英國物理學(xué)家坡印亭就提出圓偏振光具有角動(dòng)量（實(shí)際上是自旋角動(dòng)量），并且認(rèn)為當(dāng)光經(jīng)過某個(gè)光學(xué)器件（比如波片）改變偏振態(tài)時(shí)，會(huì)伴隨著角動(dòng)量在光和器件之間轉(zhuǎn)移。1936年，Beth將一個(gè)半波片水平懸掛在石英玻璃纖維上制成扭秤，當(dāng)右旋圓偏振光通過該波片轉(zhuǎn)換為左旋圓偏振光時(shí)，激光自旋角動(dòng)量的改變引起了波片轉(zhuǎn)動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了坡印亭的猜想?，F(xiàn)在我們知道，左（右）旋圓偏振的光子具有自旋角動(dòng)量為正（負(fù)）的普朗克常數(shù)除以2倍的圓周率。一個(gè)線偏振光可以分解為幅度相等的2個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏振光的線性疊加，因此它的自旋角動(dòng)量為零。

拉蓋爾-高斯模式激光（渦旋光）的軌道角動(dòng)量圖（l為階數(shù)）

直到1992年，科學(xué)家們才意識(shí)到光也可以具有軌道角動(dòng)量。眾所周知，我們熟悉的高斯激光是旁軸波動(dòng)方程本征解的最低階模。其實(shí)，旁軸波動(dòng)方程還有另外一組完備的正交本征解。這種拉蓋爾-高斯激光具有的螺旋波前與流體力學(xué)中的渦旋具有相似之處，因此將其命名為光渦旋，具有光渦旋特性的光便稱之為渦旋光。荷蘭萊頓大學(xué)的Allen等人認(rèn)為光渦旋攜帶有另外一種動(dòng)量：軌道角動(dòng)量。對(duì)于拉蓋爾-高斯模式激光（LGpl）來說，其中每個(gè)光子具有的軌道角動(dòng)量為L乘以普朗克常數(shù)除以2倍的圓周率。

隨著光子線性動(dòng)量、自旋角動(dòng)量、軌道角動(dòng)量的發(fā)現(xiàn)，人們逐漸意識(shí)到可以通過對(duì)軌道角動(dòng)量（光渦旋）的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)中的物體進(jìn)行各種力學(xué)操控，特別是向著光源的負(fù)向操控及傳送。光負(fù)向力使得物體向光源方向的運(yùn)動(dòng)成為可能。

2 激光負(fù)向牽引技術(shù)

2003年，Grier拉開了激光除了做光鑷之外，還能推動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的序幕。2011年，Chen等提出了光牽引的概念，他們?cè)诶碚撋献C實(shí)了光負(fù)向力的存在，微粒在具有軌道角動(dòng)量的激光光束中可以實(shí)現(xiàn)逆光傳輸。通常，人們將光場(chǎng)中牽引物體朝向光源運(yùn)動(dòng)的力稱為光負(fù)向力，產(chǎn)生光負(fù)向力的光源稱為牽引激光。微粒在牽引激光中逆光傳輸?shù)脑砜梢杂梅骘L(fēng)航行來解釋：光場(chǎng)調(diào)制參數(shù)就相當(dāng)于帆船的帆，光力的作用在這里就相當(dāng)于帆船受到的橫向限制力（垂直于船體），通過光場(chǎng)調(diào)制，從而分解出一個(gè)牽引物體逆光運(yùn)動(dòng)的力。

隨后，更多的科學(xué)家們開始投入到這一研究中來。其中，國立澳大利亞大學(xué)的John Sinko和Clifford Schlecht，計(jì)劃將其應(yīng)用于100km距離上的空間物體的傳送，例如：大氣氣溶膠采樣、空間碎片的清除、太空漂流物的取回等。

在《Nature》雜志的一篇針對(duì)光負(fù)向力的總結(jié)性文章中，Aristide Dogariu指出光的負(fù)向力廣泛存在，而能否產(chǎn)生光負(fù)向力物體運(yùn)動(dòng)，在于對(duì)光場(chǎng)、物體以及物體所處環(huán)境的設(shè)計(jì)。對(duì)于傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，雖然整體光力沿著光傳播的方向，但是分析次鏡，它受到的合力是逆著光源的反向牽引力；普通透鏡往往用來加強(qiáng)前向光散射和光動(dòng)量，但這也意味著透鏡受到的合力是反向牽引力。因此，利用對(duì)光場(chǎng)、物體以及物體所處環(huán)境的設(shè)計(jì)，就可以制作光的反向牽引系統(tǒng)。

2015年，南開大學(xué)也在正向光力方面取得了巨大進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了光場(chǎng)對(duì)特殊材質(zhì)90mg物體的正向宏觀移動(dòng)。理論上，如果采用基于這種材料制備的驅(qū)動(dòng)帆板負(fù)載500kg的載荷，將獲得0.09m/s2的加速度。這些研究成果表明，科學(xué)家們關(guān)于光驅(qū)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的設(shè)想正在成為現(xiàn)實(shí)。

望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)受力圖

普通透鏡系統(tǒng)受力圖

南開大學(xué)所做的太陽光驅(qū)動(dòng)特殊物體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

3 激光負(fù)向牽引技術(shù)的空間應(yīng)用

2011年11月開始，NASA和美國戈達(dá)德航天飛行中心（GSFC）開始不斷對(duì)光驅(qū)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行研究，試圖探尋該技術(shù)的發(fā)展空間，找到該技術(shù)與航天之間的切入點(diǎn)，并計(jì)劃將其應(yīng)用于行星地質(zhì)樣品、地球大氣粒子樣品、空間碎片等遠(yuǎn)距離小體積樣品的搜集和傳送中。

NASA在2011年11月開展了激光牽引技術(shù)的先進(jìn)性創(chuàng)新（NIAC）研究：

NASA的行星樣品采樣示意圖

NASA的空間微粒搜集示意圖

NASA設(shè)想的空間采樣實(shí)驗(yàn)示意圖

2012年1月，完成了牽引激光的調(diào)研工作。

2012年4月，完成了牽引激光可傳送物體尺度的實(shí)驗(yàn)研究。

2012年7月，完成了牽引激光可傳送物體特性的實(shí)驗(yàn)研究。

2012年10月，構(gòu)建了一套可獲取氣溶膠微粒的遙感系統(tǒng)，并組建了團(tuán)隊(duì)。

NASA研究小組采用3種不同的方式，研究如何通過激光集合并傳送微粒到另一個(gè)裝置：

第一種方式是采用兩束渦旋激光，利用2個(gè)彼此環(huán)繞的反向渦旋光束，微粒誘捕并移動(dòng)到相互疊加的光束中央。

第二種方式是使用由渦旋激光調(diào)制而成的螺線激光，環(huán)繞物體做螺旋運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生驅(qū)使顆粒朝著與光束源相反方向移動(dòng)的作用力。研究人員發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)技術(shù)能夠在真空內(nèi)發(fā)揮作用。

第三種方式采用具有高階渦旋的貝塞爾激光，這種激光在渦旋周圍形成光環(huán)，在物體移動(dòng)軌跡上產(chǎn)生磁場(chǎng)，將物體向光源推動(dòng)，逆向牽引物體。

NASA的研究認(rèn)為，該技術(shù)有望在未來的空間活動(dòng)中得到應(yīng)用，例如：行星樣品采樣、太空漂流物取回、彗星尾焰采樣、大氣氣溶膠粒子采樣等。通過研究，NASA認(rèn)為該技術(shù)成熟度為3，目前處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，并認(rèn)為未來10年內(nèi)可以進(jìn)行飛行試驗(yàn)。

除此之外，對(duì)于空間飛行器的關(guān)鍵光學(xué)器件，因其功能特性而常處于飛行器艙外，且無法涂抹多種防護(hù)涂層使其遠(yuǎn)離微小空間碎片的傷害。而微小碎片日積月累的撞擊和粘附，會(huì)使得光學(xué)器件及太陽能電池器件受到緩慢危害，逐漸導(dǎo)致性能下降，甚至無法正常運(yùn)行。

同時(shí)，空間光學(xué)系統(tǒng)的突出特點(diǎn)就是對(duì)污染高度敏感，在空間光學(xué)系統(tǒng)研制及運(yùn)行期間形成的分子污染膜會(huì)造成光學(xué)透過率、反射率的改變，顆粒污染物會(huì)造成散射光的增加，都會(huì)影響到空間高分辨率光學(xué)載荷的分辨率和靈敏度。因此，空間光學(xué)載荷光學(xué)系統(tǒng)的污染物清理顯得尤為重要。

采用激光牽引技術(shù)研制的微型激光牽引裝置，可以置于空間敏感光學(xué)器件的前端，形成密集的激光防護(hù)網(wǎng)，吸附空間微碎片，使其不至于損傷光學(xué)鏡頭。微型激光牽引裝置可以通過擺掃光學(xué)鏡頭表面的方式，吸附、清理、清除附著于光學(xué)元器件表面的污染物，起到對(duì)保護(hù)光學(xué)鏡頭外表面的作用；也可以通過掃描光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的方式，清理、清除附著于光路上光學(xué)元器件兩側(cè)的污染物，從而起到保護(hù)內(nèi)光路的作用。

同時(shí)，選擇光學(xué)探測(cè)器不敏感的激光波段，避免牽引激光雜光對(duì)成像質(zhì)量的影響，甚至可以在相機(jī)工作期間進(jìn)行同步清理。

綜上所述，基于光驅(qū)動(dòng)的激光牽引技術(shù)在空間微重力環(huán)境下微粒的搜集、清理、傳送領(lǐng)域，特別是空間高價(jià)值光學(xué)器件鏡頭的污染清理方面，具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語

研究表明，雖然在目前階段，牽引激光只能移動(dòng)微粒大小的物體，但在空間微重力條件下，激光負(fù)向牽引技術(shù)卻具有廣闊的應(yīng)用前景。NASA對(duì)該技術(shù)在空間領(lǐng)域的應(yīng)用持積極態(tài)度，認(rèn)為在未來的空間任務(wù)中，該項(xiàng)技術(shù)將會(huì)得到廣泛應(yīng)用，例如：可以用于光學(xué)鏡頭微小碎片防護(hù)、光學(xué)鏡頭污染物清理、行星樣品搜集、太空漂流物取回、彗星尾焰粒子采樣、大氣氣溶膠粒子采樣等方面。

最新消息顯示，通過先進(jìn)性創(chuàng)新先期研究的評(píng)估與考量，2016年8月，NASA已開始與更多的科學(xué)家們合作，開展該技術(shù)進(jìn)一步的研究工作，以將其盡快應(yīng)用到空間工程領(lǐng)域。