Un groupe international de chercheurs a mesuré à quel point un faisceau laser tire sur l'eau qu'il traverse.

Étant donné que la lumière constitue un phénomène d'onde électromagnétique, un faisceau laser brillant à travers l'eau est connu pour interagir avec elle via un processus appelé électrostriction, ce qui implique que l'eau est comprimée vers l'axe du faisceau laser. Ce phénomène s'apparente à presser un tube de dentifrice; la pâte est poussée vers l'intérieur, ce qui la déplace également le long du tube, en expulsant du dentifrice.

Aujourd'hui, une équipe internationale de chercheurs a mesuré la densité de force exercée par la lumière laser dans une colonne d'eau lorsqu'elle la traverse. « C'est la première fois que la densité de force exercée par la lumière dans la matière est mesurée; les expériences précédentes ne mesuraient que les forces à l'interface de différents matériaux, ou les forces nettes exercées sur de petites particules », explique Nelson Astrath de l'Universidade Estadual de Maringá.

La même analogie permet d'expliquer comment les chercheurs ont réussi à mesurer la petite force exercée par la lumière. En fermant les extrémités du tube rempli d'eau avec des plaques de verre, ils remettent efficacement le capuchon sur le tube de dentifrice. "De cette façon, la compression transitoire ne pouvait plus forcer l'eau le long de la trajectoire du laser, faisant ainsi des ondes élastiques générées par électrostriction s'éloignant du faisceau laser l'effet dominant", explique Tomaž Požar de l'Université de Ljubljana. Après avoir mesuré les propriétés de cette onde, les chercheurs ont pu calculer les forces impliquées.

Ondes élastiques coincées entre les parois de la cuvette

Les expériences, qui ont été menées au Brésil, devaient contrôler d'autres interactions qui pourraient annuler cet effet. "Par exemple, les lasers chauffent également une petite quantité d'eau pendant un bref instant, ce qui la fait se dilater", ont déclaré Mauro Baesso et Gabriel Flizikowski de l'Universidade Estadual de Maringá. Pour éviter cela, l'équipe a dû utiliser de l'eau ultra-pure, sans rien dedans qui chaufferait en absorbant plus d'énergie électromagnétique que l'eau pure elle-même. La longueur d'onde du laser a également été soigneusement contrôlée pour minimiser l'absorption.

"L'électrostriction implique que les groupes d'atomes se rapprochent les uns des autres, ce qui augmente la densité. Cette constriction est à l'opposé de la dilatation thermique qui suit normalement l'absorption électromagnétique à température ambiante. Pour cette raison, la compression ne peut être mesurée que dans des matériaux qui ont très peu d'effets électromagnétiques. d'absorption », explique Mikko Partanen de l'Université Aalto.

"Les forces optiques de volume et de frontière dans le liquide peuvent être observées dans le signal optique alambiqué en raison de la distribution de pression spatio-temporelle qui en résulte. La perturbation de la pression est liée à la compressibilité, signifiant ainsi la force d'électrostriction de Helmholtz. Cette force a été historiquement difficile à mesurer et à modéliser avec précision. ", déclare Iver Brevik de l'Université norvégienne des sciences et technologies. "Nous sommes également en mesure de faire la distinction entre les effets Kerr thermiques et non linéaires induits par le rayonnement, considérons donc ces découvertes comme une contribution importante aux expériences de perturbation de la pression induite par la lumière dans les fluides diélectriques", déclare Daniel Razansky de l'Université de Zurich et de l'ETH Zurich. .

"L'expérience est un pas en avant significatif dans la formulation d'une théorie exacte de la force optique dépendante du temps et de la position, qui est théoriquement et expérimentalement vérifiée de manière non ambiguë. En particulier, l'expérience vérifie quantitativement la composante axiale de la densité de force optique pour un faisceau optique. Ce qu'il reste encore à expérimenter, c'est la mesure de la composante de force longitudinale », explique Stephen Bialkowski de l'Université d'État de l'Utah.

En plus des expériences, les chercheurs ont produit un modèle théorique pour expliquer leurs résultats. "Des travaux supplémentaires sont nécessaires pour bien comprendre les différents aspects du modèle du point de vue de la théorie restreinte de la relativité", ont ajouté Bruno Anghinoni et Luis Malacarne.

L'étude s'appuie sur les découvertes du lauréat du prix Nobel Arthur Ashkin, qu'il a utilisées pour développer des pincettes optiques pour manipuler de minuscules particules de matière avec de la lumière. "La nouvelle recherche favorise notre compréhension de la façon dont un champ optique produit par la pince à épiler affecte la matière déformable manipulée", ont ajouté Nelson Astrath et Tomaž Požar.

"La recherche pourrait être utilisée en biologie ou en médecine, entre autres applications potentielles. Si l'électrostriction optique peut être utilisée pour contrôler les propriétés mécaniques de la matière, elle pourrait potentiellement être utilisée dans des systèmes microélectromécaniques optiques", explique Jukka Tulkki de l'Université Aalto.

L'étude, "Unveiling bulk and surface radiation forces in a dielectric liquid", a été publiée dans Light :Science &Applications . + Explorer plus loin

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