Лазер розбив струмінь рідини на однорідні краплі

Китайські фізики виявили, що опромінення струменя рідини безперервним лазером призводить до того, що її розбиття на краплі переходить у сильно впорядкований режим. Вони пояснили цей ефект світловим посиленням капілярної хвилі деякої частоти з позитивним зворотним зв'язком. Дослідження опубліковано в.

Світло завжди несе з собою певний імпульс. Це призводить до того, що при його відбитті, заломленні або поглинанні тіла відчувають дію сил, викликаних тиском випромінювання. Це досить слабкий ефект: для випромінювання потужністю в один ватт сила складе всього кілька наноньютонів. Такого впливу, однак, достатньо для створення оптичних пінцетів, лазерного охолодження, сонячних вітрил і маніпуляцій з краплями.

Іншою областю, де оптичний тиск може бути відчутно, стала мікрофлюїдика. Виявилося, що цих сил вистачає, щоб відчутно спотворювати поверхню рідини. Такі спотворення відіграють важливу роль у динаміці рідинних струменів. Зокрема, навіть у рівному струмені, що поточний з крану, з'являються і ростуть неоднорідності, які призводять до розбиття струменя на краплі (нестійкість Релея - Плато). Отже, опромінення струменя світлом здатне змінити баланс цих неоднорідностей і виявити нові цікаві ефекти.

Вейвей Ден (Weiwei Deng) з Південного науково-технологічного університету з колегами з Китаю вирішили перевірити цю ідею. Вони опромінювали безперервним лазером тонкі рідинні струмені і стежили за тим, як це впливає на їх розбиття на окремі краплі. Зазвичай цей процес викликається капілярними хвилями зростаючої амплітуди. В силу складного характеру таких неоднорідностей, точка відриву крапель від струменя, їх розмір і частота розподіляються випадковим чином. Фізики ж показали, що в схемі з лазером можливий режим оптофлюїдної стабілізації, при якому всі ці параметри виявляються фіксованими, що породжує строго впорядкований потік крапель.

Для цього автори створювали тонкі струмені різних рідин з поверхневими натягненнями від 13 до 72 наноньютон на метр, в середини яких фокусували лазерне світло. Вони змінювали діаметр сопла (від 60 до 250 мікрон), швидкість потоку (від 1 до 2 метрів на секунду), а також потужність лазера (від 0,3 до 3,3 ватт) і довжину хвилі (520, 532 і 638 нанометрів).

Безпосередньо після включення лазера і фокусування його вище звичайної точки відриву починався стохастичний перехідний процес, який стабілізувався через 100 мілісекунд. При цьому точка відриву виявлялася завжди нижче точки фокусування. Через кривизну поверхні струменя частина випромінювання періодично прямувала вгору по ній, відчуваючи повне внутрішнє відображення, як у хвилеводі.

Фізики докладно вивчили простір параметрів, в якому ефект має місце. Так, вони з'ясували, що чим нижче по струменю фокусується випромінювання, тим менша потужність потрібна для стабілізації, проте тим вже діапазон потужностей, в якому це відбувається. Крім того, відстань між точкою фокусування і точкою відриву виявилася чутливою до числа Вебера в струмені.

Для теоретичного розуміння ефекту автори побудували модель поширення капілярної хвилі, а також змоделювали поширення світла в такому струмені в променевому наближенні. Вони з'ясували, що вгору по струменю може йти до 40 відсотків випромінювання. Досягаючи меніска в районі сопла, світло створює там тиск, який стимулює обурення з певною частотою. Саме це посилене світлом обурення, що поширюється назад вниз, відповідально за періодичний відрив крапель і їх однорідність. Воно, фактично, модулює новий світловий потік з тією ж самою частотою, утворюючи позитивний зворотний зв'язок. Для підтвердження цієї гіпотези, фізики спостерігали зникнення стабілізації після вимкнення лазера. Воно відбувалося в досвіді за 6 мілісекунд, що в точності одно часу, за який капілярна хвиля проходить відстань від сопла до точки відриву.

Раніше ми вже розповідали, як фізики пояснили механізм розпаду краплі на бризки при зіткненні з поверхнею. Крім того, вчені навчилися отримувати впорядковані структури крапель у олійних плівках.