專利名稱：用于轉變或利用輻射壓力產(chǎn)生機械功的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的背景本申請要求對2003年3月19日提交的美國實用新型申請10/393,114(現(xiàn)在待審批中)的優(yōu)先權。以上申請本文已被全面引用并構成本發(fā)明的一部分。
本發(fā)明總地涉及一種用于獲取電磁波中的能量并把這種能量轉變成例如機械功的功的形式的方法和設備。本發(fā)明還涉及一種用于傳輸或操控光波的方法和設備。
本發(fā)明的概要在本發(fā)明的一個方面，提供了一種利用光波的輻射壓力來產(chǎn)生機械功用的方法和設備。這種方法包括這樣的步驟設置一個用于容納光波的傳播的容納室，然后，在該容納室的一個第一位置定位一個有一第一反射表面的可運動的反光鏡。把光波引入容納室并使其射向反射表面。于是，光波接觸反射表面并使輻射壓力作用在其上。
在本發(fā)明的另一個方面，提供了一種利用光波的輻射壓力來產(chǎn)生機械功的設備。這種設備也包括一個容納室，它被構造成能夠容納光波在其內沿著一預定的光波反射路徑傳播。這種設備還包括一個可選擇性地操作在一開通模式和一關閉模式的光開關(optic switch)，其中開通模式允許光波進入容納室，而關閉模式阻止光波跑出容納室。還有，這種設備具有一個定位在容納室的一端的反光鏡和定位在容納室的一第二端的第二反射表面。第一和第二兩個反射表面被定位成所述預定的光波路徑延伸于其間。這種設備的工作使得光波對第一反射表面的重復接觸使輻射壓力重復地作用在第一反射表面上而使可運動的反光鏡沿著預定的路徑運動。以這種方式，就產(chǎn)生了機械功。
在本發(fā)明的再一個方面，提供了一種用于傳輸和/或操控光波的方法和設備。按照一種方法，把光波截獲并隨后予以增強。較佳的是，按照本發(fā)明，可通過一種光倍增器(light multiplier)或光波增強器的工作把光波分裂開。
在本發(fā)明的再一個方面，提供了一種用于用一個界面和/或通過一個界面?zhèn)鬏敼獠ǖ姆椒ê驮O備。更準確地說，本發(fā)明提供了一種操作，即開關在開通和關閉之間(或在透明和反射狀態(tài)或模式之間)的界面用的方法和設備。較佳的是，開關操作需要操控界面的相互作用的總指數(shù)(total index of interaction)。在較佳的模式中，這種方法包括通過壓緊來消除邊界界面。
在一個較佳實施例中，本發(fā)明的設備采用至少一個棱鏡作為光開關，并且一個容納室包括一個或多個高度反射的反光鏡，它們能夠反射光波而使其在容納室里傳播。在一個工作模式，這些反光鏡承受輻射壓力并反射光波，從而把容納室里的某些光能轉變成機械能和/或機械功。在一個實施例中，本發(fā)明的方法包括把至少兩個棱鏡定位成互相貼近，并通過把兩個貼近的表面或壁面壓緊來減小或消除兩者之間的反射性光學界面，從而允許光輻射能像沒有界面一樣穿過去。
在本發(fā)明的另一方面，提供了一種利用光波的輻射壓力產(chǎn)生機械功的方法。這種方法包括設置一個用于容納光波的傳播的一容納室的初始步驟以及在該容納室的一第一個位置定位一個有一第一反射表面的可運動的反光鏡。然后，在容納室里的一第二個位置定位第二個可運動的反射表面，并把第一和第二反射表面的位置和取向確定為能夠至少部分地限定一個預定的光波反射路徑。這種方法還包括把光波引入容納室的步驟。這一引入步驟包括使被引入的光波射向所述兩個反射表面之一，從而使光波在第一和第二兩個反射表面之間沿著一預定的路徑傳播許多個循環(huán)。按照這種方法，光波接觸第一反射表面并使輻射壓力作用在第一反射表面上，然后被這一初始反射表面以一個大致的直角反射出去。
較佳的是，這種方法還包括對另一個光波重復地進行引入步驟，從而，光波對第一反射表面的重復接觸致使輻射壓力推動第一反射表面沿著一個預定的路徑運動。更佳的是，定位步驟還包括把一第二可運動反光鏡定位在容納室里，該第二反光鏡具有所述第二反射表面，以及，給被引入的光波定向的步驟致使光波重復地接觸第二反射表面并使輻射壓力重復地作用在第二反射表面上，借以實現(xiàn)第二反射表面沿著第二個預定的路徑運動而產(chǎn)生機械功。
最佳的是，這種方法還包括設置一個棱鏡并把該棱鏡定位成使它的體積構成容納室的一部分以及它的至少一個表面形成容納室的一個邊界。這樣，引入步驟包括把光波穿過所述一個表面射入該棱鏡。
在一個實施例中，在把光波引入容納室之前把光波或光束射向一個第一或第一級棱鏡。在第一級棱鏡內部，光束被多次分裂(最好是通過操作一光倍增器)并且改變自身的方向(這將壓縮光束長度)。以這種方式，使被引入容納室的光波的強度較佳地增大到一個預定的量級。
熟悉本技術領域的人，從下面各較佳實施例和附圖的詳細說明中，可以明顯地看出本發(fā)明的這些和其它特點和優(yōu)點。
附圖簡要說明

圖1是一個諸如光子發(fā)動機的設備的簡化示意圖，這一設備用于按照本發(fā)明利用光波的輻射壓力來產(chǎn)生機械功；圖1A是按照本發(fā)明的一壓緊邊界界面(compression boundary interface)在關閉模式的一種詳細表示；圖1B是按照本發(fā)明的該壓緊邊界界面在開通模式的一種詳細表示；圖2是適用于本發(fā)明的設備的一個活塞組件的一個實施例的簡化示意圖；圖3是按照本發(fā)明的一個光子發(fā)動機(photon engine)的一個替代實施例的簡化示意圖；圖4A和4B是按照本發(fā)明可配用于光子發(fā)動機的兩個棱鏡的示意圖；圖5是本發(fā)明的設備的再一個實施例的簡化示意圖；圖6A是表示本發(fā)明的一個替代設備和操作這種設備的方法的簡化平面示意圖；圖6B是圖6A的設備的側視圖；圖7A是表示本發(fā)明的光子發(fā)動機的一種替代的第一級棱鏡和第二級棱鏡的簡化示意圖；圖7B是圖7A中所示的本發(fā)明的光擴展器(light expander)/光收縮器(lightcontractor)的詳細剖面圖；圖7C是圖7A中所示的本發(fā)明的光擴展器/收縮器的平面圖；圖7D是表示本發(fā)明的光擴展器/收縮器的工作的示意圖；圖7E是本發(fā)明的第一級棱鏡的光擴展器的工作的一種簡化的表示；圖7F是本發(fā)明的第一級棱鏡的光收縮器的工作的一種簡化的表示；
圖7G是本發(fā)明的第一級棱鏡和第二級棱鏡的工作的一種簡化的表示；以及圖7H是由本發(fā)明的光擴展器/收縮器的工作產(chǎn)生的光束輻射形態(tài)(pattern)的截面圖。
本發(fā)明的詳細說明圖1-7表示出本發(fā)明的設備和/或方法。這些圖體現(xiàn)了本發(fā)明的各個方面。
本發(fā)明總地涉及利用光波所固有的或可從光波獲得的輻射壓力來產(chǎn)生功，例如機械功。這種輻射壓力源是由光源提供的，或者更準確地說，是由從一個光源射入本發(fā)明的設備里的電磁波或在本發(fā)明的設備里傳播的電磁波來提供的。本發(fā)明還總地涉及用于傳輸或操控這樣的光波的方法和設備。本發(fā)明的光子發(fā)動機的工作需要采用本發(fā)明的這一方面。一般地說，是把電磁波通過至少一個可工作的棱鏡射進一個容納室，其中棱鏡以開關方式工作。在一個較佳實施例中，用一個第一級棱鏡和一個第二級棱鏡，它們一起工作而形成一個光開關注入閥門(light switchinjection valve)，這個閥門或者把進入第一棱鏡的光反射回去或者允許光通過而進入容納室。
這種光開關的工作(下文將參照圖1-7討論)是基于一種光學現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象中，兩個單獨的介質(也就是棱鏡)可被沿著一個界面壓緊而成為像一個介質一樣起作用的組合介質。首先，以一個預定的角度把光引入第一級棱鏡。在光開關處于關閉或非工作狀態(tài)的情況下，光將被第一級棱鏡的背面或后壁反射出去。為了開通光開關而使其處于工作狀態(tài)，可通過一個外部驅動裝置的工作把第一級棱鏡和第二級棱鏡，即第一和第二兩個單獨的介質互相壓緊到一起(更具體地說，是把第二級棱鏡壓靠于或壓向第一級棱鏡)。在這樣做時，兩個棱鏡之間的邊界也就是公共面消失了，因而兩個介質就像一個介質一樣起作用。典型地，這種邊界是由具有不同于棱鏡材料的折射率的一空氣隙或真空(在關閉模式)形成或產(chǎn)生的。所以，射入第一棱鏡的光可通過第一棱鏡和第二棱鏡的邊界、再通過第二棱鏡而進入容納室。更為有利的是，以一個預定的角度把光射入第一級棱鏡，使光以一個垂直于安裝在容納室里的一反光鏡的角度進入容納室并在其內傳播。
在把光容納在容納室里的情況下，把光開關關閉。這樣，在容納室里的光波或光被維持成列為光柱形式(columniation)并繼續(xù)在其內傳播。更精確地說，被容納起來的光以一個直角反射出第一反光鏡，然后以大約45°或其它預定的角度撞到第二級棱鏡的一個表面上，并且隨后也是以一個直角反射出第二個反光鏡。這三次反射構成一整個循環(huán)，這個循環(huán)會在一個已知的預定時間框架(time frame)內重復進行。在開通模式和關閉模式之間，這個時間框架還較佳地對應于光開關的工作頻率的1/2。在每一循環(huán)過程中，光以一個高速率在三個反射表面之間循環(huán)，把輻射壓力傳遞給或傳遞過兩個反光鏡表面，從而把光波的能量轉變成或轉化成機械功，也就是反光鏡的運動。在各較佳實施例中，反光鏡是可工作地連接于一個活塞并且是裝在一個氣缸組件里(氣缸最好是不吸收光)，而像一個發(fā)動機那樣工作。
為便于本發(fā)明的說明，首先簡明地解釋某些概念。
作為本發(fā)明的方法的利用對象的光波是電磁波。電磁波輸送線性的動量，使得可以通過把光照射在一個表面上來對該表面施加機械壓力。應該理解對各個單個光子來說，這種壓力是很小的。然而，只要光子的數(shù)量足夠多，就可獲得有實際意義的機械壓力。
麥克斯韋電磁定律指明，一個被完全吸收的平行光束所產(chǎn)生的動量可表示為能量U除以光速c，即p=Uc]]>如果光束被全反射，則以直角入射并反射所產(chǎn)生的動量是被完全吸收的數(shù)值的兩倍。
p=2Uc]]>這些例子代表動量傳遞的范圍的兩端。在一端是完全非彈性的情況，即光束被完全吸收，在這種情況中，光粒子粘著在一起，并且大多數(shù)動能典型地損失于能量的另一種形式，諸如熱能或變形。在另一端光束被全反射，表現(xiàn)為一種完全彈性的碰撞，在這種情況中動能被保存著。
參照圖2，以下幾個段落給出用本發(fā)明的設備和方法也就是一個光子發(fā)動機能夠產(chǎn)生的功率的計算。這些計算可分為四個部分力(F)、時間(T)、功(W)以及功率(P)。
以下詳細說明一單個反光鏡的力的計算，其面積為Am，進入容納室的初始輻射壓力為p1，直到在z次反彈(bounce)之后輻射壓力變?yōu)?。
F0-z＝p1Am+p2Am+p3Am+...+pzAm每一次輻射壓力反彈(radiation pressure bounce)前后之間的關系可表示為表面反射率ρ的函數(shù)。
p2＝ρp1，p3＝ρp2，p4＝ρp3，...，pz＝ρpz-1把這種輻射壓力關系插入所有表面反彈之間，得到以下關系式F0-z.總＝p1Am+εp1Am+ε2p1Am+...+εzp1Am 對于一單個反光鏡，應該把每個第四次反彈添加于這種力計算F.0-z.單個平面鏡＝p1Am+ρ4p1Am+ρ8p1Am+...+ρ4z/4p1Am或 這個力的時間或持續(xù)時間可通過把光走過的距離除以光的速度來得到，即t=zdc]]>所得到的力在一個物體上所做的功等于該物體動能的變化。一單個活塞頭的功計算表示如下W=12m(v22-v12)→v1=0W=12mv22]]>速度、加速度和力之間的關系如下v＝atF=ma⇒a=Fm]]>所以v=Fmt]]>
為了得出作用在一單個反光鏡上的功，把力、時間和速度方程式代入功方程式，于是 對于幾乎等于1的反射率，作用在第二反光鏡上的力近似等于作用在第一個反光鏡上的力。因此，在一個容納室里功的總數(shù)為 功率是單位時間內所作的功。如果使一單個容納室連續(xù)地工作，功率就必須考慮氣缸的包括壓縮和膨脹階段的全部工作或循環(huán)，其中，在一半的壓縮階段過程中施加力，而在膨脹階段過程中力消除，因此 對于一個有4個容納室的光子發(fā)動機，功率可表示如下 現(xiàn)在來看圖1-7，這些圖表示出本發(fā)明的設備的幾個實施例。特別是，圖1、3、5和7各描繪出本發(fā)明的一個示例性的光子發(fā)動機和與它們配用的本發(fā)明的各種裝置。這些圖也描繪出本發(fā)明的用于傳輸和操控光波的各個裝置。這些創(chuàng)造性的裝置之一是一種壓緊邊界光開關(compression boundary light switch)。這些裝置中的另一個是一個第一級棱鏡，它能夠倍增或分裂引入其內的光波(也就是在引入容納室之前)以增大光波的強度。
圖1是可以按照本發(fā)明操控或傳輸光或光波和/或利用輻射壓力產(chǎn)生機械功的系統(tǒng)和/或設備100的簡化示意圖。具體地說，設備100是一個能夠利用由被引入它的或被它操控的光波提供的輻射能量的光子發(fā)動機。本發(fā)明的光子發(fā)動機100較佳地包括一個用于接收光波的第一級棱鏡106、一個可與第一級棱鏡106協(xié)同工作的第二級棱鏡107以及一個容納室102(如圖1中的虛線所示)。第一級棱鏡106和第二級棱鏡107安裝成面貼面(或壁貼壁)而形成一個壓緊邊界界面114。前面已經(jīng)簡論，界面114在一個狀態(tài)中實際上可包括在兩個表面之間的一個可關閉的或可壓緊的氣隙或真空隙，這還將參照圖1A和1B進一步討論。
這一示例性的光子發(fā)動機100還包括大致完全相同的一對活塞外殼或氣缸108、活塞組件110以及兩個反光鏡112。容納室102由第二級棱鏡107的前表面、一對氣缸108和兩個反光鏡112限定。高度反射的反光鏡112安裝在可運動的活塞110的平頂面上。反光鏡112和活塞110在氣缸108內一起運動。下面還將討論，活塞組件110可機械地連接于一個曲軸線組件或類似的結構件。
從圖1可看出，反光鏡112和活塞組件110可使容納室102的至少在第二級棱鏡107的任一側的容積增大或減小。較佳的是，兩個反光鏡112將協(xié)調地運動(作為較大的活塞/曲軸線組件的一部分)。而且，第一級棱鏡106和第二級棱鏡107之間的壓緊邊界114可由本發(fā)明的一個光開關來控制。如上所論，可以用一個壓電驅動機構116來操作這一光開關，該壓電驅動機構116可迫使氣隙關閉(通過壓緊)以使光波能夠穿過而進入容納室102。所以，是壓電驅動機構116以可控制的方式?jīng)Q定著光開關114的開通模式和關閉模式。
較佳的是，光子發(fā)動機100用石英材料制作第一級棱鏡106和第二級棱鏡107。更準確地說，光子發(fā)動機100設有一個壓緊邊界光開關，這個光開關以石英的兩個基本原理或性質工作壓電效應和全內反射(TIR)。在石英被放在一個電場里時它就產(chǎn)生壓電效應。特別是，在電場里的石英會膨脹。石英的晶格結構有三個主軸線X、Y和Z。把石英以其X軸線順著電場方向放在電場里，石英將根據(jù)電場的方向膨脹或收縮。如果電場使石英沿著X軸線壓縮，那么石英將沿著Y軸線或在Y軸線方向膨脹。通過約束石英在Y軸線方向的膨脹，石英里將產(chǎn)生沿著Y軸線方向的應力?？蓪⑹⒃赬軸線方向的電場里在Y軸線方向產(chǎn)生的這種應力和隨之產(chǎn)生的應變用于壓緊兩塊石英(即第一級棱鏡106和第二級棱鏡107)。
圖1A描繪出在關閉或非工作狀態(tài)壓緊邊界界面的一個詳細示意圖。在這一狀態(tài)，第一級棱鏡106的背面106c與第二級棱鏡107的前面107c之間有間隔。按照斯涅爾折射定律，在給定的入射角下，這兩個棱鏡的折射率是足夠接近的(例如，互相之間的差別較佳地在約5％到20％以內)，這有利于光開關在開通模式的工作。并且，這兩個棱鏡的折射率從空隙(或空氣空間)方面來看是有足夠大差別的，這有利于光開關在關閉模式的工作。因此，可在兩個表面106c和107c之間設置一個氣隙170。在這一描述中，壓緊邊界或界面114是指氣隙170以及兩個表面106c和107c。圖1A還給出了石英或第一級棱鏡106的坐標軸線。典型地，在關閉或非工作狀態(tài)，氣隙170的寬度約為2,000納米到50納米，更佳的是在約為1,000納米到100納米之間。
圖1B表示出在壓電驅動機構116工作時壓緊邊界114的壓緊。由于施加了電場，氣隙170被壓緊到約為100納米到0納米。如上所論，施加電場使石英在X軸線方向收縮，這使得產(chǎn)生Y軸線方向的應力(由于石英材料或表面106c在Y方向的膨脹被阻止)。較佳的是，壓電驅動機構116既作用于第一級棱鏡106也作用于第二級棱鏡107，更確切地說是作用于表面106c和107c。較佳的是，把氣隙170壓緊到寬度為約100納米到約0納米，更佳的是，把寬度壓緊到約50納米到約0納米。
圖1A和1B也表示按照本發(fā)明把光波AA傳輸通過第一級棱鏡106和/或壓緊邊界170。在圖1A中，光波AA以大約45°的入射角射到背面106c上。由于由空氣隙170產(chǎn)生的折射率，光波AA由于全內反射(TIR)而被反射向大致相對于入射光為90°的方向。在圖1B中，由于氣隙170已基本上被消除，以及由于第二級棱鏡107的石英材料基本上類似于第一級棱鏡106的石英材料，兩個表面106c和107c用作一單個介質。也就是說，不同的折射率(由氣隙170引起的)的影響消除了。因此，光波AA能夠通過第一級棱鏡106的表面106c和第二級棱鏡107的表面107c而不會被阻斷。
斯涅爾折射定律描述當輻射或電磁波從一種介質到另一種介質時發(fā)生的現(xiàn)象。所形成的角度是入射角和兩種介質的折射率的函數(shù)。如果斯涅爾折射定律的結果是一個虛數(shù)，電磁波就是全內反射(TIR)。本發(fā)明的光子發(fā)動機100可利用這一現(xiàn)象把光波容納在第一級棱鏡內(下文還將結合再一個實施例進行說明)。
通過用壓電壓縮做到TIR邊界的耦合和TIR邊界的消除，就可形成本發(fā)明的光開關。在不施加電壓的非工作狀態(tài)，光波是TIR因而處在容納室102的外面。當施加電壓時，光開關就處于開通模式而TIR邊界被消除。這就允許光波穿過壓緊邊界或界面CC而進入容納室102。因此，本發(fā)明的方法的一個重要步驟是開通光開關而后把它快速關閉，從而獲得或容納了光。
較佳的是，壓電驅動機構116包括一個高電壓低電流(近乎靜電)的電源，這個電源發(fā)信號給壓電石英或棱鏡106和107。用例如銅板做好壓電驅動機構116對第一級棱鏡106和第二級棱鏡107的適當表面的機械連接。壓電驅動機構116還包括一個場效應晶體管，用于以特別快的脈沖(吉伽赫茲)進行光開關的開通和關閉。更佳的是，這種脈沖是以納秒級的時間開通而后以毫米級的時間關閉。
圖2是包括活塞210和反光鏡212的運動組件的一個實施例的示意圖。這一組件的質量為m(以及還有一個特定的面積)，反射率為E。在工作中，把光通量P1越過一距離d照射到反光鏡表面上，這一光通量被傳輸通過壓緊界面214進入第二級棱鏡207。輻射壓力p集合地產(chǎn)生作用在反光鏡212和活塞組件210上的機械力。
現(xiàn)在來看圖3，其表示出本發(fā)明的光子發(fā)動機的一個替代實施例300。在所描繪的這一方案中，類似的標號標示類似的元件。第一級棱鏡306和第二級棱鏡307安裝成互相貼近。具體地說，第一級棱鏡306的背面306c和第二級棱鏡307的前面307c之間有間隔，形成第一級棱鏡306和容納室302之間的壓緊邊界界面314。在這一實施例中，邊界界面314提供一個斷面為八角形的光開關元件。在結構設計和工作的所有其它方面，光子發(fā)動機300基本上類似于圖1所描繪的光子發(fā)動機100。與圖1的光子發(fā)動機100一樣，光子發(fā)動機300包括一對氣缸308、一個可在氣缸內運動的活塞310以及安裝在活塞310上的高度反射的反光鏡312。
圖4A和4B表示出適于用作本發(fā)明中的第一級棱鏡的各種幾何形狀的棱鏡406。各個棱鏡406最好是用折射率大于1.45的晶體石英材料制造。在實際應用中，重要的是備有高度拋光的表面，以使光波能夠通過或從這種表面折射，通過或反射。在圖4的棱鏡406中，為此目的，表面A、B和C都是拋光的。
圖5描繪出本發(fā)明的用于把輻射能轉變成不同形式的能或功的一個系統(tǒng)501的簡化示意圖。系統(tǒng)501利用如前所述的光子發(fā)動機500。而且，系統(tǒng)501采用有內拋物線表面的第一級聚光鏡541，可給這一表面覆蓋或涂覆上3MTM輻射光薄膜。系統(tǒng)501還可包括或利用至少一個第二級聚光鏡540，將其安裝在第一級聚光鏡541的上方并定位成能反射從第一級聚光鏡541的內拋物線表面反射來的光波。第二級聚光鏡540的特征是面積較小，但可在其外表面上有利地覆蓋或涂覆以3MTM輻射光薄膜。這一系統(tǒng)還可配備一個光導管545，用于把聚集的光從第二級聚光鏡540和第一級聚光鏡541傳輸?shù)焦庾影l(fā)動機500。較佳的是，系統(tǒng)501應包括一個支架和支座組件544以及一個用于把系統(tǒng)501指向輻射源的定向控制器(pointingcontroller)543。
圖6A和6B是進一步表示本發(fā)明的光子發(fā)動機尤其是多缸光子發(fā)動機600的簡化示意圖。這兩個圖還表示本發(fā)明的光子發(fā)動機600的工作。圖6A是發(fā)動機600的正視圖，包括兩個協(xié)調往復運動的氣缸608和608’。在圖6B的側視圖中，表示出在光子發(fā)動機600的一側的四個氣缸608。每一氣缸608有一個可在其內運動的活塞組件610，而活塞組件是可工作地連接于曲軸組件611。
再看圖6A，光子發(fā)動機600包括一個八角形的第一級棱鏡606和一個類似形狀的第二級棱鏡607，兩者定位成互相靠近，壓緊邊界界面614至少部分地由背面606c和前面607c形成。第二級棱鏡607把兩個氣缸608和608’連通，因而也使氣缸608和608’里的反光鏡612和活塞610相通。在圖6B的側視圖中，表示出四個第一級棱鏡606和四個第二級棱鏡607，每一對棱鏡可工作地連接于一對或一列氣缸608以及裝在氣缸里的活塞610和曲軸組件611。
再看圖6A，壓緊邊界界面614被石英壓電驅動機構616驅動而像前面所述那樣開通或關閉壓緊邊界光開關(CBLS)。在圖6A中，標號614a所指的界面表示光開關處于關閉位置(虛線)，而標號614b表示光開關處于開通位置。圖6A還表示出一個設置在光子發(fā)動機600的外面的光波617的光源。光波617首先被聚光鏡618截獲并集聚而后作為瞬時輻射(instant radiation)射向第一級棱鏡606(見箭頭AA)。光波AA以約為45°的入射角射在背面606c上。如果此時光開關是處于關閉位置(標號614a所指的虛線)，光波AA就被界面614a反射出去(見虛線)并且通過棱鏡606的另一表面射出(從第一級棱鏡606出去了)。
在界面614處于開通位置時(標號614b所指的實線)，光波AA穿過界面614b而進入容納室602并射在表面606上，如箭頭AA’所示。還有，棱鏡606和607被構造成可使光波AA’進入容納室602并直射進氣缸608。這樣，光波AA’以較佳的大致直角接觸于反光鏡表面612，其結果是達到相當高度的反射。如該圖所示，被反射的光波大致直線地反射回界面614b，不過此時界面已處于關閉位置，因而反射回來的光波以大約45°角射在界面上。因此，被反射的光波AA’又被關閉著的界面614b反射向容納室602的第二個氣缸608。如前所述，被反射的光波AA’也以大致直角射在第二個反光鏡612上并被以直角反射回來(高度的反射)。因此，光波AA’是沿著同一反射路徑到達第二個反光鏡612。在一個方面，預定的光路徑是由棱鏡606和607、氣缸608和608’以及其它元件所限定。這樣一個預定的光路徑在圖6中用雙向箭頭AA’表示。
也是如前所述，光波AA’對反光鏡612的表面的接觸產(chǎn)生作用在其上的輻射壓力。這一輻射壓力會使反光鏡612和活塞610組件移動一個圖6中用X表示的距離，從而產(chǎn)生功。而且，這一位移使曲軸組件611轉動，從而產(chǎn)生機械功。在另一種狀態(tài)，可以以頻率調制方式操作驅動機構616，使光開關的開通和關閉允許光波按照與第二級棱鏡607內部的輻射頻率有關的時間比例進入第二級棱鏡607。以這種方式，可增強作用在活塞組件612上的輻射壓力。
圖7的簡化示意圖表示出本發(fā)明的光子發(fā)動機的另一個替代實施例，其中類似的標號標示類似的元件。具體地說，圖7a描繪第一級棱鏡706和第二級棱鏡707的一種布置，這種布置采用埋置在第一級棱鏡706里的一個光束擴展器/收縮器762。特別是，光束擴展器/收縮器762可起到把光束分裂多次并且改變自身的方向的作用，從而增加最終被引入容納室702a的光波的強度。
在圖7的實施例中，第一級棱鏡706是八角形的，因而它有八個表面或壁面708a-708h(只表示出其中一些)。與前面的實施例中一樣，第一級棱鏡706是較佳地用石英材料制成的。第一級棱鏡706包括一個從其第一表面706a突出的突起760，其用作一光束入口760。該光束入口760較佳地是集聚的圓形的。還有，第一級棱鏡706的另一表面706c定位成靠近第二級棱鏡707的前表面707c并與之有間隔而形成一壓緊邊界界面714。如上所論，該界面714構成本發(fā)明的可由適當?shù)尿寗訖C構操作的一壓緊邊界光開關。
來看圖7B的詳圖，在本發(fā)明的再一個方面，第一級棱鏡706配備有一個光束擴展器/收縮器762，其定位在第一級棱鏡706的內部并埋置在石英材料706’里。圖7C和7D給出了擴展器/收縮器762的更詳細的描繪。
現(xiàn)在來看圖7D，光擴展器/收縮器762是一個埋置在石英材料706’里的有多個面的石英塊。從物理上來說，光擴展器/收縮器762是用圓形截面的石英材料706’雕刻出來的，其上切割出許多同心的空氣界面786。把有刻面的石英塊對中于有給定的直徑的入射光束AA。如圖7B中所示，石英塊762(也就是光擴展器/收縮器)提供了一組石英—空氣界面的45°同心刻面。畫有陰影線的斷面表示出第一級棱鏡706的石英材料706’以及石英塊762的石英材料706”。其余的沒有陰影線的面積是空氣或真空界面782，其中沒有石英材料。更重要的是，這些空氣界面782的光學性質(也就是折射率)不同于石英材料的光學性質。圖7B和平面圖7C還描繪出提供各同心的界面的外部圓筒的一個同心的反光鏡780。下面還將解釋，反光鏡780的作用是在工作過程中反射光的處于最外直徑同心圓筒里的那部分的光，借以使光的路徑倒過來并開始光收縮過程。
圖7D的示意圖表示出本發(fā)明的光擴展器/收縮器762怎樣傳輸或操控光束AA行進通過第一級棱鏡706。在第一種傳輸方式中，光束AAE在45°的石英—空氣界面784上反射。每一入射光束經(jīng)歷兩個90°的向外方向的反射，從而把光束的直徑轉變成較大的直徑(擴展)。在反過來的方式中，光束AAc又撞到石英—空氣界面784上并再經(jīng)歷兩個90°的反射，這使光束的直徑變成較小的直徑(收縮)。
所以，光擴展器/收縮器762可進行三個工作光擴展、光反射和光收縮。一旦光束AA已經(jīng)擴展到最大的同心圓筒就發(fā)生光反射(AAL)。這受到反光鏡780的反射的促進，反光鏡780會使光AAL的方向倒過來。一旦光束已經(jīng)完全擴展和收縮，光開關(壓緊邊界界面714)就被啟動，從而允許容納室702在兩個方向容納光波，如圖7G所示。圖7H表示出在光束通量已經(jīng)在第一級棱鏡706里倍增之后所得到的、作用在反光鏡710和活塞組件712上的光束形態(tài)。一旦所有的光都被注入了容納室702，光開關就返回到關閉位置，使所得到的光束被容納在容納室702里。所以，由第一級棱鏡706進行的光束通量的倍增可產(chǎn)生較高功率的輸出。
圖7E和7F描繪出第一級棱鏡706的一般工作情況，這時壓緊邊界光開關是處于關閉或斷開狀態(tài)。被收集的光束AA被以大致直角通過光束進口760而引入第一級棱鏡706。較佳的是，光束進口760被安裝成能夠使被引入第一級棱鏡706的光束AA射向背面706c和壓緊邊界界面714。初始時，光開關是處于關閉或反射階段。這樣，光束AA以大致直角反射并射向第一級棱鏡706的另一表面706e。這一被反射的光束AA的入射角可使光束AA也將以大致直角反射離開棱鏡表面706e(以及后續(xù)的表面706g)。相應地，如圖7E所示，由于全內反射，光束AA初始地繞過第一級棱鏡706。
較佳的是，被收集的光束AA進入第一級棱鏡706并在進入光擴展器/收縮器762之前經(jīng)歷三次光反射。光束AA進入光擴展器/收縮器762的方向決定著光束AA是否會被擴展或收縮。在圖7E中，表示出光束AA在第一級棱鏡706里沿著順時針方向轉動。沿著這一方向，光束進入光擴展器/收縮器762而使光束AA被擴展。相反，光束AA可以在第一級棱鏡706里沿著逆時針方向轉動。如圖7F中所示，光束AA進入光擴展器/收縮器762而使所得到的光束被收縮。隨著光束的每一轉動和進入光束擴展器/收縮器，所得到的光束AA可擴展或收縮到相鄰一級的同心圓筒。但是，擴展是受到在最大一級的同心圓筒的反光鏡780的限制。這時，光束AA的方向被倒過來，從而重新開始收縮過程。
但是應該理解，可以對本發(fā)明的設備的各個構成部分做各種布置和安排，并且可根據(jù)特定的環(huán)境和應用來改變這種布置和安排。但是，不管在那一種應用中，以上所述的本發(fā)明的各個方面都是適用的。例如，光子發(fā)動機的各個方面，諸如容納室的設計、光開關裝置以及光倍增器或光波增強器都可應用于其它的發(fā)動機或機械功裝置。作為一個進一步的例子，可以用其它的能量系統(tǒng)諸如能量儲存裝置(例如一個彈簧裝置)來取代活塞和氣缸組件。
為了圖示和說明的目的，已經(jīng)對本發(fā)明進行了以上描述。應該注意到所作的說明不是意在把本發(fā)明限制于本文揭示的設備和方法。以上說明的本發(fā)明的各個方面可應用于其它型式的發(fā)動機和機械功裝置以及用于獲取輻射壓力而產(chǎn)生機械功的方法。還應注意到，本發(fā)明是體現(xiàn)在所描述的方法、這些方法中采用的設備、以及相關的構成部分和分系統(tǒng)之中。熟悉光學器件、發(fā)動機技術領域或其它相關技術領域的人可以根據(jù)這里的說明對本發(fā)明做出各種改變。因此，與以上創(chuàng)意和技巧以及相關知識等同的各種改變和變型都屬于本發(fā)明的范圍內。這里描述和圖示的各實施例還意在闡明用于實現(xiàn)本發(fā)明的方法以及使熟悉本技術領域的人能夠利用本發(fā)明和其它實施例做出各種變形，以實現(xiàn)本發(fā)明的各種具體應用。
權利要求
1.一種利用光波的輻射壓力產(chǎn)生機械功的方法，所述方法包括下列步驟設置一個用于容納一光波的傳播的容納室；在所述容納室的一第一個位置定位一個具有一第一反射表面的可運動的反光鏡，在所述容納室里的一第二個位置定位一個第二反射表面，從而所述第一和第二兩個反射表面的位置和取向被確定為能夠至少部分地限定一個預定的光反射路徑；把光波引入所述容納室，所述引入步驟包括使被引入的光波射向所述兩個反射表面之一，從而使光波初始地接觸所述反射表面并使輻射壓力作用在這一初始反射表面上，隨后被所述初始反射表面以一大致的直角反射，由此使被反射的光波沿著所述預定的路徑行進，使被反射的光波被另一反射表面以一大致直角反射，并沿著所述初始光反射路徑返回，使所述光波再一次被初始反射表面以一大致的直角反射，以及，使所述光波繼續(xù)在所述兩個反射表面之間沿著所述預定的光波路徑傳播許多個循環(huán)，并使光波的輻射壓力重復地作用在所述初始反射表面上，從而使所述初始反射表面沿著一個預定的路徑運動而產(chǎn)生機械功。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始反射表面是所述第一反射表面，并且所述給被引入的光波定向的步驟包括把光波射向所述第一反射表面。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述定位步驟包括把一個第二可運動的反光鏡定位在所述容納室里的步驟，所述第二反光鏡具有所述第二反射表面。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述給被引入的光波定向的步驟可使所述光波重復地接觸所述第二反射表面以及使輻射壓力重復地作用在所述第二反射表面上，從而使所述第二反射表面沿著第二個預定的路徑運動而產(chǎn)生機械功。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，它還包括設置一個棱鏡并把所述棱鏡定位成它的體積構成所述容納室的一部分以及它的至少一個表面形成所述容納室的一個邊界的步驟。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述引入步驟包括使光波射向所述棱鏡而穿過所述一個表面。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，它還包括以下步驟在所述引入步驟之前光學地開通所述棱鏡的所述一個表面，使光波穿過所述一個表面進入所述容納室；以及在所述引入步驟之后關閉所述一個表面，使所述定向步驟致使被反射的光波被所述一個表面重復地反射。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述定位步驟包括把第二可運動反光鏡定位在所述容納室里的步驟，所述第二反光鏡具有所述第二反射表面，以及，所述定向步驟使所述光波在所述第一反射表面、第二反射表面和所述棱鏡的所述一個表面之間傳播。
9.如權利要求7所述的方法，其特征在于，它還包括設置第二棱鏡并把所述第二棱鏡定位成它的一個表面貼近所述第一棱鏡的所述一個表面的步驟；以及其中，所述開通所述一個表面的步驟包括把所述第一棱鏡的所述一個表面壓靠到所述第二棱鏡的所述一個表面上，使所述這兩個被壓在一起的表面形成一個透明的界面。
10.如權利要求7所述的方法，其特征在于，它還包括以下步驟在許多循環(huán)結束之后，重復所述開通所述第一棱鏡的所述一個表面的步驟，對另一個光波重復所述引入步驟，以及重復所述關閉所述第一棱鏡的所述一個表面的步驟，從而光波重復地接觸所述第一和第二兩個反射表面使輻射壓力推動所述反射表面沿著一個預定的路徑運動而產(chǎn)生機械功。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述可運動的反光鏡是可工作地連接于一個活塞和氣缸組件，因而所述第一個反光鏡的運動可使所述活塞沿著一個預定的路徑運動而產(chǎn)生機械功。
12.一種利用光波的輻射壓力產(chǎn)生機械功的方法，所述方法包括下列步驟設置一個用于容納光波的傳播的容納室；在所述容納室的第一個位置定位一個具有一第一反射表面的可運動的反光鏡，以及在所述容納室里的第二個位置定位一個第二反射表面，并將所述第一和第二兩個反射表面的位置和取向確定為能夠至少部分地限定一個預定的光反射路徑；以及把光波引入所述容納室，所述引入步驟包括使被引入的光波射向所述兩個反射表面之一，從而使光波在所述第一和第二兩個反射表面之間沿著一個預定的光波路徑傳播許多個循環(huán)，借以使光波接觸所述第一反射表面并使輻射壓力作用在所述第一反射表面上，然后被所述第一反射表面以一大致的直角反射。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，它還包括對另一個光波重復進行所述引入步驟的步驟，從而，光波對所述第一反射表面的重復接觸使輻射壓力推動所述第一反射表面沿著一個預定的路徑運動。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述定位步驟包括把第二可運動反光鏡定位在所述容納室里的步驟，所述第二反光鏡具有所述第二反射表面，以及，所述給被引入的光波定向的步驟可使光波重復地接觸所述第二反射表面以及使輻射壓力重復地作用在所述第二反射表面上，從而使所述第二反射表面沿著第二個預定的路徑運動而產(chǎn)生機械功。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于，它還包括設置一個棱鏡并把所述棱鏡定位成它的體積構成所述容納室的一部分以及它的至少一個表面形成所述容納室的一個邊界的步驟，以及，所述引入步驟包括使光波射向所述棱鏡而穿過所述一個表面。
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于，它還包括以下步驟在所述引入步驟之前光學地開通所述棱鏡的所述一個表面，使光波穿過所述一個表面進入所述容納室；以及在所述引入步驟之后關閉所述一個表面，使所述定向步驟致使被反射的光波被所述一個表面重復地反射。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于，它還包括設置第二棱鏡并把所述第二棱鏡定位成它的一個表面貼近所述第一棱鏡的所述一個表面的步驟；以及其中，所述開通所述一個表面的步驟包括把所述第一棱鏡的所述一個表面壓靠到所述第二棱鏡的所述一個表面上，使所述這兩個被壓在一起的表面形成一個透明的界面。
18.一種利用光波的輻射壓力產(chǎn)生機械功的設備包括一個被構造成能夠容納一光波在其內沿著一個預定的光波反射路徑傳播的容納室；一個可選擇性地工作在一開通模式和一關閉模式的光開關，其中所述開通模式允許一光波進入所述容納室，而所述關閉模式能阻止所述光波逃出所述容納室，一個定位在所述容納室的一端的反光鏡，所述反光鏡具有一第一反射表面；以及定位在所述容納室的一第二端的一第二反射表面，其中，所述預定的光波路徑延伸于所述第一和第二兩個反射表面之間；以及其中，光波重復地接觸所述第一反射表面使輻射壓力重復地作用在所述第一反射表面上而使所述可運動的反光鏡沿著一個預定的路徑運動，從而產(chǎn)生機械功。
19.如權利要求18所述的設備，其特征在于，它還包括一個定位在所述容納室的所述第二端的第二可運動反光鏡，所述第二反光鏡具有所述第二反射表面。
20.如權利要求19所述的設備，其特征在于，它還包括定位在所述容納室里的一第一棱鏡，所述第一棱鏡定位成它的體積構成所述容納室的一部分以及它的一個表面構成所述光開關的一個門；以及定位成毗鄰所述容納室的第二棱鏡，所述第二棱鏡定位成它的一個表面毗鄰所述第一棱鏡的所述一個表面，從而使所述第一和第二兩個棱鏡之間的壓緊成為能在所述開通模式和關閉模式之間工作的所述光開關。
21.如權利要求20所述的設備，其特征在于，它還包括一第一個活塞和一第二個活塞，每一所述活塞可工作地連接于一個對應的第一個或第二可運動反光鏡，因而所述可運動的反光鏡的運動可使所述活塞運動。
22.一種利用光波的輻射壓力產(chǎn)生機械功的方法，所述方法包括下列步驟設置一個用于容納一光波的傳播的容納室；在所述容納室的一第一個位置定位一個有一反射表面的可運動的反光鏡，以及把光波引入所述容納室，所述引入步驟包括使被引入的光波射向所述反射表面，從而使光波接觸所述反射表面并使輻射壓力作用在所述反射表面上。
23.如權利要求22所述的方法，其特征在于，它還包括對另一個光波重復進行所述引入步驟的步驟，從而光波對所述第一反射表面的重復接觸使輻射壓力推動所述第一反射表面沿著一個預定的路徑運動。
24.如權利要求23所述的方法，其特征在于，所述定位步驟包括把第二可運動反光鏡定位在所述容納室里的步驟，所述第二反光鏡具有一第二反射表面，以及，所述給被引入的光波定向的步驟可使光波重復地接觸所述第二反射表面以及使輻射壓力重復地作用在所述第二反射表面上，由此實現(xiàn)所述第二反射表面沿著第二個預定的路徑的運動。
25.如權利要求24所述的方法，其特征在于，它還包括設置一個棱鏡并把所述棱鏡定位成它的體積構成所述容納室的一部分以及它的至少一個表面形成所述容納室的一個邊界的步驟，其中，所述引入步驟包括使光波射向所述棱鏡而穿過所述一個表面。
26.如權利要求25所述的方法，其特征在于，它還包括以下步驟在所述引入步驟之前光學地開通所述棱鏡的所述一個表面，使光波穿過所述一個表面進入所述容納室；以及在所述引入步驟之后關閉所述一個表面，使所述定向步驟致使被反射的光波被所述一個表面重復地反射。
27.如權利要求26所述的方法，其特征在于，它還包括設置一第二棱鏡并把所述第二棱鏡定位成它的一個表面貼近所述第一棱鏡的所述一個表面的步驟；以及其中，所述開通所述一個表面的步驟包括把所述第一棱鏡的所述一個表面壓靠到所述第二棱鏡的所述一個表面上，使被壓在一起的所述兩個表面形成一個透明的界面。
28.如權利要求22所述的方法，其特征在于，它還包括對另一個光波重復地進行所述引入步驟的步驟，從而所述光波對第一個反射表面的重復接觸使輻射壓力推動所述第一個反射表面沿著一個預定的路徑運動。
29.如權利要求23所述的方法，其特征在于，所述定位步驟包括把第二可運動反光鏡定位在所述容納室里的步驟，所述第二反光鏡具有一個第二反射表面，以及，所述給被引入的光波定向的步驟可使所述光波重復地接觸所述第二反射表面以及使輻射壓力重復地作用在所述第二反射表面上，由此實現(xiàn)所述第二反射表面沿著第二個預定的路徑的運動。
30.如權利要求24所述的方法，其特征在于，它還包括設置一個棱鏡并把所述棱鏡定位成它的體積構成所述容納室的一部分以及它的至少一個表面形成所述容納室的一個邊界，以及，所述引入步驟包括使光波射向所述棱鏡而穿過所述一個表面。
31.如權利要求25所述的方法，其特征在于，它還包括以下步驟在所述引入步驟之前光學地開通所述棱鏡的所述一個表面，使光波穿過所述一個表面進入所述容納室；以及在所述引入步驟之后關閉所述一個表面，使所述定向步驟致使被反射的光波被所述一個表面重復地反射。
32.權利要求26所述的方法，其特征在于，它還包括設置第二棱鏡并把所述第二棱鏡定位成它的一個表面貼近所述第一棱鏡的所述一個表面的步驟；以及其中，所述開通所述一個表面的步驟包括把所述第一棱鏡的所述一個表面壓靠到所述第二棱鏡的所述一個表面上，使被壓在一起的所述兩個表面形成一個透明的界面。
33.一種傳輸光波的方法包括以下步驟設置一個具有一第一表面的第一透明光學介質；相對于所述第一個光學介質定位具有一第二表面的第二透明光學介質，把所述第一表面和第二表面定位成其間有間隔，從而在所述第一和第二光學介質之間存在第三光學介質，其中，所述第一光學介質的折射率大致等于所述第二光學介質的折射率；把所述第二光學介質壓靠到所述第一光學介質上而基本上消除所述第三光學介質。
34.如權利要求33所述的方法，其特征在于，所述第一透明光學介質和所述第二透明光學介質是同一種材料。
35.如權利要求33所述的方法，其特征在于，所述壓緊步驟包括對所述第一和第二光學介質之一施加壓電效應。
全文摘要
一種利用光波的輻射壓力產(chǎn)生機械功的方法。首先，設置一個用于容納光波在其內傳播的容納室。然后在所述容納室里定位一個具有一反射表面的可運動的反光鏡。然后，把光波引入所述容納室，并使被引入的光波射向所述反射表面。再使光波接觸所述反射表面并使輻射壓力作用在其上。這種方法還能夠傳輸或操控光波。用這種方法可獲取光波并隨后將其增強。例如可在把光波引入容納室之前通過操作一個光倍增器或光波增強器來分裂光波。
文檔編號F03G7/00GK1781040SQ200480011718
公開日2006年5月31日 申請日期2004年3月19日 優(yōu)先權日2003年3月19日
發(fā)明者J·M·克雷 申請人:空間設計股份有限公司