用于传递光波所提供的辐射压的方法和装置的制作方法

专利名称：用于传递光波所提供的辐射压的方法和装置的制作方法
用于传递光波所提供的辐射压的方法和装置
本发明专利申请是国际申请日为2007年07月沈日、申请号为200780035312. 4、 题为“用于传递光波所提供的辐射压的方法和装置”的中国发明专利申请的分案申请。
发明背景
本申请要求于2006年7月沈日提交(现待决)的美国临时申请S/N. 60/833，336 的申请日权益。以上申请通用地通过援引纳入于此并构成本公开的一部分。
本发明一般涉及用于利用电磁光波中存在的能量的方法和装置。具体而言，本发明涉及利用光波中的辐射压。本发明还涉及用于传递或以其他方式操纵光波和/或传递光波所提供的辐射压的方法和装置。
发明简要概述
在本发明的一方面，提供了用于传递由光波提供的辐射压的方法。该方法使得必须定位具有近全反射表面的反射棱镜，该反射棱镜包括初始透明表面和各自相对于该初始透明表面有角度地定位的一对反射表面。随后，朝着该反射棱镜引导光波，以使得该光波与透明表面大致呈法线并穿过该透明表面。该光波进一步从第一反射表面并随后从第二反射表面反射并通过该透明表面离开棱镜。这样，由反射光波所传递的辐射压作用于该棱镜。
在另一方面，提供了用于传递由光波提供的辐射压的装置。该装置包括配置成包含光波的传播的容纳腔室以及可选择性地在打开模式和关闭模式下操作的光学开关。在打开模式下，该光学开关允许光波进入容纳腔室，而在关闭模式下，该光学开关阻止光波从容纳腔室逃逸。该装置进一步包括定位在容纳腔室的一端的反射镜面。该反射镜面具有近全反射表面。该光学开关和反射镜面被定位成使得光学开关可操作以在反射镜面的方向上将光波引入容纳腔室中，并使得光波从近全反射表面上反射以导致辐射压作用于反射镜面。
在另一方面，提供了用于传递由光波提供的辐射压的装置。该装置包括具有近全反射表面(NTRQ的反射棱镜，该反射棱镜是具有透明表面和一对反射表面的石英棱镜。该装置还包括光波源，其定位成在反射棱镜的方向上并与透明表面大致呈法线地引导光波， 以使得光波穿过透明表面并从这些反射表面反射，从而导致由光波传递的辐射压作用于该 NTRS。
在本发明的另一方面，提供了用于传递和/或以其他方式操纵光波的方法和装置。在本发明的另一方面，提供了用于藉由和/或通过界面来传递光波的方法和装置。更具体而言，本发明提供在打开和关闭(或即透明或反射状态或模式)之间操作(即，切换) 该界面的方法和装置。优选地，该切换操作使得必须操纵该界面的总折射率。在优选模式中，该方法涉及借助于压缩来消除该边界界面。
对于本领域技术人员而言，本发明的这些和其他特征及优点从以下优选实施例的详细描述和附图将变得明显。
附图简要描述


图1、1A和IB是诸如光子引擎之类的用于利用与光波相关联的辐射压的装置的简化示意图和例示说明；
图2是适合与图1的装置一起使用的活塞组装件的简化示意图3是替换光子引擎的简化示意图如和4b是可以联合光子引擎使用的棱镜的例示说明；
图5是又一种装置的简化示意图；以及
图6a是图解替换装置和操作该装置的方法的简化平面示意图6b是图6a中的装置的侧视图7A-7H是引擎的各种组件的操作和结构和/或引擎的阶段的简化例示说明；
图8是引擎的主要阶段/组件以及引擎操作的简化例示说明；
图9是光倍增器的简化图10是由光倍增器生成的增强光束的例示说明；
图11是光开关的各种模式或阶段的例示说明；
图12A和12B是图解光开关的性能的图表；
图13A是根据替换实施例的可移动棱镜的平面视图1 是横跨图13A的横截面视图14A是图解棱镜的表面与光束间的交互的可移动棱镜的示图15是示例性时间射线跟踪连续统图的例示说明；
图16是示例性时间射线跟踪平面图的例示说明；
图17是参与介质区域的示例性控制体积表示的例示说明。
图18A是示例性光子引擎和其射线路径的例示说明；
图19是替换示例性光子引擎和其射线路径的例示说明；
图20A-C是用于图19的引擎的替换光开关的简化例示说明。
发明详细描述
本申请涉及美国申请S/N. 10/836，774和国际申请No. :PCT/US2004/008495，其公开通用地通过援引纳入于此。本文中在详细描述中提供这些公开的实质性部分以用作本发明的各方面的背景和上下文。
提供图1-7来图解在本发明之前的装置和/或方法。介绍图8-20来图解根据本发明的装置和方法。本发明的各方面体现在这些附图中。
本发明一般涉及利用光波固有的或可从其获得的辐射压。此辐射压的源由光源提供，或更具体而言，是通过将源自光源的电磁波传播到本发明的装置中或使其在本装置内传播来提供的。本发明一般还涉及用于传递或以其他方式操纵这样的光波的方法和装置。 本发明的光引擎的操作使得必须采用本发明的这方面。一般而言，通过至少一个在开关模式下起作用的可操作棱镜来将电磁波引导到容纳腔室中。在优选实施例中，使用主棱镜和辅棱镜，并且它们一起操作以提供光开关注入阀，其或者反射进入第一棱镜的光或者使光通过进入容纳腔室。
光开关的操作(以下关于图1-7进行讨论)基于其中两个单独介质(即棱镜)可以沿着界面被压缩从而组合后的介质起一个介质的作用的光学现象。首先，以预定角度将光引入主棱镜中。在光开关处于关闭或即非操作模式中的情况下，光从主棱镜的背面或背壁反射。为了打开该开关并将其置于操作模式中，通过外部驱动设备的操作来朝着彼此压缩主棱镜和辅棱镜——即第一和第二单独介质(或更具体而言，辅棱镜对着或朝着主棱镜压缩)。通过这样做，移除了这两个棱镜之间的边界——即公共面，并且这两个介质作为一个介质起作用。典型的，此边界可以是由折射率与棱镜材料不同的气隙或真空(在关闭模式中)形成或提供的。被引导到第一棱镜中的光因此穿过与第二棱镜的边界，通过第二棱镜并进入容纳腔室。进一步有利的是以预定角度将光引导到主棱镜中，从而该光进入容纳腔室并随后在容纳腔室内以与可移动地搭载在该腔室内的反射镜面呈法线的角度传播。
在光被包含在容纳腔室中的情况下，关闭光开关。由此，容纳腔室中的光波或光维持列柱式并持续地在其中传播。更确切而言，所包含的光以法线角度从第一反射镜面反射，随后以几乎45°角或其他预定角度对着辅棱镜的面，并随后也以法线角度从第二镜面反射。这三次反射构成了一个在公知的预定时间帧内重复的全循环。时间帧还优选地对应于光开关在打开和关闭模式之间的工作频率的1/2。在每一循环期间，光以高速率在这三个反射表面之间循环，使得辐射压被传递到或穿过这两个镜面，从而将光波的能量转换成或变换成机械功，即镜面的移动。在优选实施例中，将镜面可操作地连接至活塞并包含在圆筒组装件中(该圆筒并不吸收光)从而作为引擎来工作。
为便于本发明的描述，首先提供对某些概念的简要解释。
作为本发明性方法的主题的光波是电磁波。电磁波传送线性动量，从而使得通过在表面上进行光照就能对该表面施加机械压力。应理解此压力对于个别光子而言是较小的。但在有充分数目的光子的情况下，就可以获得显著的机械压力。
麦克斯韦(Maxwell (J. C.))揭示了全部被吸收的平行光束的结果所得动量ρ是能量U除以光速C。
权利要求
1. 一种操作光子引擎的方法，所述方法包括以下步骤设置包括初始光路径的光子引擎，所述初始光路径通过光扩展件/收缩件设备、通过棱镜向包括与第二表面邻近并间隔开的所述棱镜的第一表面的压缩边界光学开关延伸，所述光子引擎包括容纳腔室，所述容纳腔室包括从第二表面向可移动地安置的多个反射棱镜延伸的预定反射光路径，所述多个反射棱镜包括一个或多个近全反射表面(NTRS)；以及通过沿初始光路径引导光束通过与所述棱镜通信的所述光扩展件/收缩件设备来产生经处理的光束，所述光扩展件/收缩件设备包括面和镜，所述面用于两次将光反射90度以扩展在主棱镜中在一个方向上旋转的光的直径以及两次将光反射90度以收缩在主棱镜中在与所述一个方向相反的方向上旋转的光的直径，所述镜用于当经扩展的光的直径被扩展到最大直径时将经扩展的光的方向从一个方向反向到相反方向； 相对于第二表面压第一表面，以在其间形成透光界面；基本上完全透射经处理的光束通过所述透光界面并进入所述容纳腔室到达第一反射棱镜，将经处理的光束多次分束成包括比所述经处理的光束功率更高的输出的多个经处理的光束；然后相对于第二表面对第一表面减压来将透光界面转换成基本上全反射表面，以便于所述容纳腔室对所述多个经处理的光束的容纳；将所述多个经处理的光束从第一多反射棱镜基本上全反射回所述基本上全反射表沿所述容纳腔室中的预定光路径反复传导所述多个经处理的光束；其中，所述多个经处理的光束反复冲击所述多个反射棱镜并且传递一定能量给与所述多个反射棱镜通信的能量系统，由于使用多个反射棱镜而非多个反射镜而获得更高的全反射，所述方法传递更多能量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以足够高的速度移动所述多个反射棱镜以红移所述多个经处理的光束。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述红移有效降低了残余热量。
4.如权利要求1-3所述的方法，其特征在于，还包括在操作上将所述多个反射棱镜与多个共振压电致动器相关联；其中所述多个经处理的光束反复冲击所述多个反射棱镜，并且使所述多个共振压电致动器收缩；其中由于使用多个反射棱镜而非多个反射镜而获得更高的全反射，传递到所述多个共振压电致动器的能量更大。
5.如权利要求4所述的方法，还包括将所述能量转换成电输出；以及收集电输出。
6.如权利要求5所述的方法，还包括使用H-桥电路收集电输出。
7.如权利要求1-6所述的方法，其特征在于，所述棱镜包括石英，所述方法还包括通过设置包括第二表面的线性开关来限制所述多个经处理的光束在石英中传播的距离，所述第二表面包括有效地基本上全反射所述多个经处理的光束的线性三角棱镜系列。
8.如权利要求1-7所述的方法，其特征在于，还包括通过在将所述第一表面压成与所述第二表面距离Onm以及将所述第一表面快速减压成与所述第二表面距离大于IOOOnm之间快速切换，改进所述容纳腔室对光的容纳。
9.如权利要求1-8所述的方法，其特征在于， 所述多个反射棱镜具有初速度(Vtl)；以及在较大的初速度下，所述能量系统生成的功更多。
10.如权利要求1-3和7-9所述的方法，其特征在于，传递到所述能量系统的能量生成根据以下方程计算的功(W)
11.如权利要求4-9所述的方法，其特征在于，传递到所述能量系统的能量生成根据以下方程计算的功(W)
12.如权利要求1-11所述的方法，还包括使用一个或多个收集镜来收集和会聚光以产生会聚光束；沿初始光路径引导会聚光束并通过所述光扩展件/收缩件设备，生成经处理的会聚光束；基本上完全透射经处理的会聚光束通过所述透光界面，将经处理的会聚光束多次分束成包括比经处理的会聚光束功率更高的输出的多个经处理的会聚光束；其中所述减压改进了所述容纳腔室对所述多个经处理的会聚光束的容纳； 沿所述容纳腔室中的所述预定光路径反复传导所述多个经处理的会聚光束；其中，所述多个经处理的会聚光束反复冲击所述多个反射棱镜。
13.如权利要求1-12所述的方法，其特征在于，基本上全反射从多个经处理的光束和多个经处理的会聚光束构成的组中选择的光束包括设置包括NTRS棱镜的一个或多个NTRS，所述NTRS棱镜包括初始透光表面和一对或多对反射表面，其中每一反射表面相对于所述初始透光表面呈角度地定位； 以大致法线角度将光束引导到所述初始透光表面； 从所述初始透光表面反射光束的第一部分以产生第一反射；使光束的第二部分穿过所述初始反射表面，以约45°角通过所述NTRS棱镜的第一部分到达所述第一反射表面，所述NTRS棱镜的第一部分吸收第一能量并产生光束的第一剩余；以相对于所述第一反射表面约45°角全内反射光束的所述第一剩余以通过所述NTRS 棱镜的第二部分，所述NTRS棱镜的第二部分吸收第二能量并产生光束的第二剩余；以及以相对于所述第二反射表面约45°角全内反射光束的第二剩余并通过所述NTRS棱镜的第三部分，所述NTRS棱镜的第三部分吸收第三能量并产生光束的第三剩余； 以大致法线角度使光束的第三剩余穿过所述初始透光表面以产生第二反射； 其中所述第一反射和第二反射的组合基本上全反射所述光束。
14.一种对光子引擎的操作建模的方法，所述方法包括(1)建模来自通过光反复冲击容纳腔室中多个反射镜或多个反射棱镜而施加的辐射压的力累积；(2)建模所述光子引擎的所述容纳腔室中的光容纳，所述容纳腔室包括压缩边界光开关，所述压缩边界光开关包括具有可变光学元件的表面；(3)建模当光通过所述光引擎时倍增和分束所述光而得到的通量增量；(4)建模在所述光子引擎中由于红移的能量损失；(5)建模所述光子引擎的参与介质内的能量吸收；(6)考虑以上(1)-(5)项，计算由所述光子引擎产生的总功。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，(2)包括 假定具有可变光学元件的表面最初是高反射表面；假定在第一有限时间量之后，所述表面变为透光界面；以及假定在随后有限时间量之后，所述表面变回高反表面。
16.如权利要求15所述的方法，还包括 假定所述高反表面不产生光透射；以及假定所述透光界面产生全光透射。
17.如权利要求15-16所述的方法，其特征在于，还包括假定通过将具有可变光学元件的表面在高反表面与透光界面之间快速切换，来改进所述容纳腔室中的光容纳。
18.如权利要求17所述的方法，还包括假定具有可变光学元件的表面是高反表面，立即变为透光界面，并立即变回高反表面。
19.如权利要求14-18所述的方法，其特征在于，(3)包括使用以下方程建模通量增量 (AF)其中η是初始采样光线的数目；m是包含在所述容纳腔室中的光线数目；以及不同的采样时间是初始采样范围、到、，以及可变光学开关范围t2到t3。
20.如权利要求19所述的方法，还包括使用以下方程确定所包含光线的通量(q”2)q〃 2= AFq" ！其中q 是初始采样范围、到、中的线性分布光线的通量。
21.如权利要求14-20所述的方法，(5)包括将光穿过的参与介质的体积分成多个较小控制体积； 对所述较小控制体积量化期望能量吸收；以及通过将所述较小控制体积的期望能量吸收相加来建模参与介质的体积的能量吸收。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，还包括 使用以下方程计算较小控制体积(dQn,abs)中的内加热
23.一种包括一个或多个圆筒的光子引擎，包括压缩边界开关，包括从第二压缩边界元件的第二面间隔开以在其间形成非透光界面的主棱镜的主背面，所述主棱镜包括特定折射率的抛光晶体石英，所述主棱镜包括多个侧面和一个或多个光束入口；一个或多个光扩展件/收缩件设备，与所述一个或多个光束入口通信，所述一个或多个光扩展件/收缩件设备包括面和镜，所述面用于两次将光反射90度以扩展在主棱镜中在一个方向上旋转的光的直径以及两次将光反射90度以收缩在主棱镜中在与所述一个方向相反的方向上旋转的光的直径，所述镜用于当经扩展的光的直径被扩展到最大直径时将经扩展的光的方向从一个方向反向到相反方向，以产生经处理的光束；压电致动器，在操作上与所述主背面和所述第二面耦合并压所述主背面和所述第二面以在其间形成透光界面，所述透光界面适于透射所述经处理的光束并将所述经处理的光束多次分束，产生包括比所述光束功率更高的输出的多个经处理的光束；以及容纳腔室，包括可移动地安置的多个反射棱镜，每个反射棱镜包括基本上与相应多个侧面平行定向的透光表面，所述透光表面包括含有一个或多个NTRS棱镜的近全反射表面 (NTRS)，每个所述NTRS棱镜包括由所述透光表面的至少一部分限定的初始透光表面、以相对于所述初始透光表面第一 45°角延伸并以90°角与一个或多个第二反射表面通信的第一反射表面，所述第二反射表面以相对于所述初始透光表面45°角延伸；其中所述容纳腔室适于包含所述多个经处理的光束沿预定反射光路径传播，所述预定反射光路径以第一预定角从所述第二面以大致法线角度向所述透光表面延伸、通过一个或多个初始透光表面向一个或多个初始第一反射表面、从所述一个或多个初始第一反射表面向一个或多个初始第二反射表面、从所述一个或多个初始第二反射表面以大致法线角度离开所述初始透光表面、并以第二预定角度反复回到所述第二面，所述第二预定角度有效地以第一预定角度将所述多个经处理的光束从所述第二面并以大致法线角度向附加多个反射棱镜的附加透光表面反射；其中所述多个反射棱镜与能量系统通信。
24.如权利要求23所述的光子引擎，其特征在于，所述压缩边界开关还包括含有抛光晶体石英的第二棱镜，所述第二棱镜具有与所述给定折射率基本相同的第二折射率，所述第二棱镜包括多个侧面和第二面。
25.如权利要求23-M所述的光子引擎，其特征在于，所述压缩边界开关包括线性开关，其中所述第二面包括与所述主背面基本上平行定向的线性反射表面，所述线性反射表面包括延伸离开所述主背面的多个三角棱镜，每个多个三角棱镜包括以相对于与第二透光面以90°角通信的线性反射表面呈第一 45°角延伸的第一透光表面，所述第二透光表面以相对于所述线性反射表面第二 45°角延伸，所述线性开关有效地全内反射光。
26.如权利要求23-25所述的装置，其特征在于，所述多个反射棱镜包括在所述透光表面上同心排列并彼此相邻的多个NTRS。
27.如权利要求2346所述的装置，其特征在于，所述能量系统是弹簧设备。
28.如权利要求23-27所述的光子引擎，包括多个圆筒。
29.如权利要求23- 所述的光子引擎，其特征在于，所述多个反射棱镜在操作上与多个共振压电致动器相关联。
30.权利要求23- 所述的光子引擎，其特征在于，所述多个反射棱镜在操作上与有效收集电输出的H-桥电路相关联。
全文摘要
提供了一种用于传递光波所提供的辐射压的方法和装置。在本发明的一方面，提供了用于传递由光波提供的辐射压的方法。该方法使得必须定位具有近全反射表面的反射棱镜(606、607)，其包括初始透明表面(614A、614B)和各自相对于该初始透明表面有角度地定位的一对反射表面(612)。随后，朝着该反射棱镜引导光波，以使得该光波与透明表面大致呈法线并穿过该透明表面。该光波进一步从第一反射表面并随后从第二反射表面反射并通过该透明表面离开棱镜。这样，由反射光波所传递的辐射压作用于该棱镜。
文档编号G02B17/08GK102495462SQ20111034044
公开日2012年6月13日 申请日期2007年7月26日 优先权日2006年7月26日
发明者J·M·克雷 申请人:空间设计股份有限公司