用於轉變或利用輻射壓力產生機械功的方法和設備的製作方法

2023-07-30 09:36:21

專利名稱：用於轉變或利用輻射壓力產生機械功的方法和設備的製作方法
技術領域：
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(現在待審批中)的優先權。以上申請本文已被全面引用並構成本發明的一部分。本發明總地涉及一種用於獲取電磁波中的能量並把這種能量轉變成例如機械功的功的形式的方法和設備。本發明還涉及一種用於傳輸或操控光波的方法和設備
發明內容
在本發明的一個方面，提供了一種利用光波的輻射壓力來產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於容納光波的傳播的容納室，然後，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。把光波引入容納室並使其射向反射表面。於是，光波接觸反射表面並使輻射壓力作用在其上。在本發明的另一個方面，提供了一種利用光波的輻射壓力來產生機械功的設備。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(opticswitch)，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於其間。這種設備的工作使得光波對第一反射表面的重複接觸使輻射壓力重複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，就產生了機械功。在本發明的再一個方面，提供了一種用於傳輸和/或操控光波的方法和設備。按照一種方法，把光波截獲並隨後予以增強。較佳的是，按照本發明，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。在本發明的再一個方面，提供了一種用於用一個界面和/或通過一個界面傳輸光波的方法和設備。更準確地說，本發明提供了一種操作，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(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，本發明的設備採用至少一個稜鏡作為光開關，並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裡傳播。在一個工作模式，這些反光鏡承受輻射壓力並反射光波，從而把容納室裡的某些光能轉變成機械能和/或機械功。在一個實施例中，本發明的方法包括把至少兩個稜鏡定位成互相貼近，並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。在本發明的另一方面，提供了一種利用光波的輻射壓力產生機械功的方法。這種方法包括設置一個用於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。然後，在容納室裡的一第二個位置定位第二個可運動的反射表面，並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。按照這種方法，光波接觸第一反射表面並使輻射壓力作用在第一反射表面上，然後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複地進行引入步驟，從而，光波對第一反射表面的重複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裡，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複地接觸第二反射表面並使輻射壓力重複地作用在第二反射表面上，藉以實現第二反射表面沿著第二個預定的路徑運動而產生機械功。最佳的是，這種方法還包括設置一個稜鏡並把該稜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稜鏡。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稜鏡。在第一級稜鏡內部，光束被多次分裂(最好是通過操作一光倍增器)並且改變自身的方向(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明的這些和其它特點和優點。


圖I是一個諸如光子發動機的設備的簡化示意圖，這一設備用於按照本發明利用光波的輻射壓力來產生機械功；圖IA是按照本發明的一壓緊邊界界面(compression boundary interface)在關閉模式的一種詳細表不;圖IB是按照本發明的該壓緊邊界界面在開通模式的一種詳細表示；圖2是適用於本發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是按照本發明的一個光子發動機(photon engine)的一個替代實施例的簡化示意圖；圖4A和4B是按照本發明可配用於光子發動機的兩個稜鏡的示意圖；圖5是本發明的設備的再一個實施例的簡化示意圖；圖6A是表示本發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是表示本發明的光子發動機的一種替代的第一級稜鏡和第二級稜鏡的簡化示意圖；圖7B是圖7A中所示的本發明的光擴展器(light expander) /光收縮器(lightcontractor)的詳細剖面圖；圖7C是圖7A中所示的本發明的光擴展器/收縮器的平面圖；圖7D是表示本發明的光擴展器/收縮器的工作的示意圖；圖7E是本發明的第一級稜鏡的光擴展器的工作的一種簡化的表示；圖7F是本發明的第一級稜鏡的光收縮器的工作的一種簡化的表示；圖7G是本發明的第一級稜鏡和第二級稜鏡的工作的一種簡化的表示；以及圖7H是由本發明的光擴展器/收縮器的工作產生的光束輻射形態(pattern)的 截面圖。
具體實施例方式圖1-7表示出本發明的設備和/或方法。這些圖體現了本發明的各個方面。本發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明的設備裡的電磁波或在本發明的設備裡傳播的電磁波來提供的。本發明還總地涉及用於傳輸或操控這樣的光波的方法和設備。本發明的光子發動機的工作需要採用本發明的這一方面。一般地說，是把電磁波通過至少一個可工作的稜鏡射進一個容納室，其中稜鏡以開關方式工作。在一個較佳實施例中，用一個第一級稜鏡和一個第二級稜鏡，它們一起工作而形成一個光開關注入閥門(light switch injection valve),這個閥門或者把進入第一稜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)是基於一種光學現象，在這種現象中，兩個單獨的介質(也就是稜鏡)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稜鏡。在光開關處於關閉或非工作狀態的情況下，光將被第一級稜鏡的背面或後壁反射出去。為了開通光開關而使其處於工作狀態，可通過一個外部驅動裝置的工作把第一級稜鏡和第二級稜鏡，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，是把第二級稜鏡壓靠於或壓向第一級稜鏡)。在這樣做時，兩個稜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於稜鏡材料的折射率的一空氣隙或真空(在關閉模式)形成或產生的。所以，射入第一稜鏡的光可通過第一稜鏡和第二稜鏡的邊界、再通過第二稜鏡而進入容納室。更為有利的是，以一個預定的角度把光射入第一級稜鏡，使光以一個垂直於安裝在容納室裡的一反光鏡的角度進入容納室並在其內傳播。在把光容納在容納室裡的情況下，把光開關關閉。這樣，在容納室裡的光波或光被維持成列為光柱形式(columniation)並繼續在其內傳播。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，然後以大約45°或其它預定的角度撞到第二級稜鏡的一個表面上，並且隨後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，這個循環會在一個已知的預定時間框架(time frame)內重複進行。在開通模式和關閉模式之間，這個時間框架還較佳地對應於光開關的工作頻率的1/2。在每一循環過程中，光以一個高速率在三個反射表面之間循環，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於一個活塞並且是裝在一個氣缸組件裡(氣缸最好是不吸收光)，而像一個發動機那樣工作。為便於本發明的說明，首先簡明地解釋某些概念。作為本發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生的動量可表不為能量
Up=—
C如果光束被全反射，則以直角入射並反射所產生的動量是被完全吸收的數值的兩倍。
2Up =——
C這些例子代表動量傳遞的範圍的兩端。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，並且大多數動能典型地損失於能量的另一種形式，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明的設備和方法也就是一個光子發動機能夠產生的功率的計算。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)之後輻射壓力變為O。F0_z = pA+pA+p人+ +PzAm每一次福射壓力反彈(radiation pressure bounce)前後之間的關係可表示為表面反射率P的函數。P2 = P P1, P3 = P P2, P4 = P P3, , Pz = P Pz-I把這種輻射壓力關係插入所有表面反彈之間，得到以下關係式F0_z,總=P1Am+ e P1Am+ e 2P1A111+- + e zPA1
Fo-z.,s =^en PlAm
n 0對於一單個反光鏡，應該把每個第四次反彈添加於這種力計算F。—z，單個平面鏡=P1Am+ P 4P1Am+ P 8P1Am+. + P 4z74P1Am或
z/4
Po-r單個平面鏡 =Ep4m PlAnn 0這個力的時間或持續時間可通過把光走過的距離除以光的速度來得到，SP
權利要求
1.一種由光束產生較高功率輸出的方法，所述方法包括 提供第一級稜鏡，所述第一級稜鏡包括具有第一折射率的第一透明光學介質，所述第一級稜鏡包括多個內表面； 通過將初始光束引導到與所述第一級稜鏡相連通的光擴展器/收縮器裝置的給定的面中來產生經處理的光束，所述光擴展器/收縮器裝置擴展從一個方向進入第一級稜鏡的光束，並收縮從另一個方向進入第一級稜鏡的光束，以生成射出光束； 將來自所述第一級稜鏡的一個內表面的所述射出光束反射到所述第一級稜鏡的下一個內表面上，直到射出光束與所述初始光束相同的方向相平行但在不同的面處再次進入光擴展器/收縮器裝置，由此在第一級稜鏡中反覆地旋轉射出光束並產生經處理的光束，該經處理的光束具有比初始光束要高的功率輸出； 選擇性地操作光學開關，控制經處理的光束在第一級稜鏡和容納室之間的傳輸；以及 在所述容納室內容納經處理的光束並沿預定的反射光路反覆地傳播所述經處理的光束，所述預定的反射光路包括一個或多個反射面；以及 將所述較高的功率輸出傳輸給與所述一個或多個反射表面相連通的能量系統。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，選擇性地操作光學開關包括將所述光學開關從開通模式改變到關閉模式。
3.如權利要求I或2所述的方法，其特徵在於，選擇性地操作光學開關包括將所述光學開關從關閉模式改變到開通模式。
4.如權利要求1、2或3所述的方法，其特徵在於，包括提供第二級稜鏡，所述第二級稜鏡包括具有第二反射率的第二透明光學介質，所述光學開關包括所述第一級稜鏡的第一級背面，所述第一級稜鏡的所述第一級背面與所述第二級稜鏡的第二級背面相對。
5.如權利要求1-3或4所述的方法，其特徵在於，選擇性地操作光學開關包括相對於所述第一級稜鏡的所述第一級背面壓緊所述第二級稜鏡的所述第二級背面，以在它們之間形成透明的界面。
6.如權利要求1-4或5所述的方法，其特徵在於，選擇性地操作光學開關包括釋放相對於所述第一級稜鏡的所述第一級背面對所述第二級稜鏡的所述第二級背面的壓緊。
7.如權利要求1-5或6所述的方法，其特徵在於，還包括將所述經處理的光束經所述透明的界面而傳輸，由此將所述經處理的光束分成多個經處理的光束，所述多個經處理的光束具有比所述經處理的光束高的功率輸出。
8.如權利要求4-6或7所述的方法，其特徵在於，所述預定的反射光路從所述第二級背面經所述第二級稜鏡的初始側面延伸到在所述第二級稜鏡的外部的初始對應反射面，經所述第二級稜鏡的所述初始側面返回到所述第二級背面，經所述第二級稜鏡的後續側面到在所述第二級稜鏡的外部的後續對應反射面，經所述後續側面返回到所述第二級背面，所述後續側面選自所述初始側面和不同的側面所組成的組。
9.如權利要求6-7或8所述的方法，其特徵在於，釋放相對於所述第一級稜鏡的所述第一級背面對所述第二級背面的壓緊使所述多個經處理的光束從所述容納室的傳輸最小化。
10.如權利要求1-8或9所述的方法，其特徵在於， 倒轉最大地擴展的光束的方向，所述光擴展器/收縮器裝置自身對光束擴展、反射、收縮以及轉向，並產生經完全處理的光束；以及選擇性地操作光學開關以在第一級稜鏡和容納室之間傳輸經處理的光束，由此生成多個經完全處理的光束，所述多個經完全處理的光束包括比所述經完全處理的光束要高的功率輸出； 在容納室中容納經完全處理的光束並沿預定的反射光路反覆傳播所述多個經完全處理的光束，產生增強的功率輸出； 將增強的功率輸出傳輸給能量系統。
11.如權利要求1-9或10所述的方法，其特徵在於， 使用一個或多個聚光鏡收集並聚集光，以產生聚集的光； 將所述聚集的光傳輸給所述第一級稜鏡； 將所述聚集的光引導到與所述第一級稜鏡相連通的所述光擴展器/收縮器裝置中，產生經處理的聚集光束； 選擇性地操作所述光學開關以在所述第一級稜鏡和所述容納室之間傳輸所述經處理的聚集光束； 在所述容納室中容納所述經處理的聚集光束並沿所述預定的反射光路反覆傳播所述經處理的聚集光束。
12.如權利要求1-10或11所述的方法，其特徵在於， 將附加的光束引導到所述光擴展器/收縮器裝置中，由此由自身對所述附加的光束進行擴展、反射、收縮以及轉向，產生附加的經處理光束； 選擇性地操作所述光學開關，以在所述第一級稜鏡和所述容納室之間傳輸所述附加的經處理光束；以及 在所述容納室中容納所述附加的經處理光束並沿所述預定的反射光路反覆傳播所述附加的經處理光束，從而反覆地向能量系統傳輸進一步增強的功率輸出。
13.如權利要求1-11或12所述的方法，其特徵在於，所述能量系統是能量儲存裝置。
14.如權利要求1-12或13所述的方法，其特徵在於，所述能量系統產生機械功。
15.如權利要求1-13或14所述的方法，其特徵在於，所述能量系統是曲柄軸組件，而傳輸給所述能量系統的功率輸出使所述曲柄軸組件往復運動。
16.如權利要求1-14或15所述的方法，其特徵在於，所述能量系統是彈簧裝置。
17.如權利要求1-15或16所述的方法，其特徵在於，還包括在包括有多個容納室的多個氣缸中基本上同時地進行所述方法。
18.—種光子發動機,包括 第一級稜鏡，所述第一級稜鏡與一個或多個光束進口相連通，並包括多個內表面，所述多個內表面包括第一級背面，所述第一級稜鏡包括具有第一折射率的拋光晶體石英； 光擴展器/收縮器裝置，所述光擴展器/收縮器裝置與所述一個或多個光束進口相連通，所述光擴展器/收縮器裝置包括適於通過擴展從一個方向進入的光束的直徑以及收縮從一個相反方向進入的光束的直徑來生成經處理的光束的面； 光學開關，所述光學開關與所述第一級稜鏡和容納室相連通，所述容納室包括預定的反射光路，所述反射光路包括與能量系統相連通的一個或多個反射面。
19.如權利要求18所述的光子發動機，其特徵在於，所述光學開關可操作地與壓電致動器相連，所述壓電致動器適於選擇性地在開通模式和關閉模式之間操作所述光學開關。
20.如權利要求18或19所述的光子發動機，其特徵在於，所述容納室限定預定的反射光路，所述預定的反射光路包括所述一個或多個反射面。
21.如權利要求18-19或20所述的光子發動機，其特徵在於，所述光學開關適於將所述經處理的光束多次分離，以產生多個經處理的光束，所述多個經處理的光束包括比所述經處理的光束高的功率輸出。
22.如權利要求18-20或21所述的光子發動機，其特徵在於， 所述容納室包括第二級稜鏡，所述第二級稜鏡包括具有第二折射率的第二透明光學介質，所述第二級稜鏡包括第二級背面以及一個或多個側面；以及 所述壓電致動器適於相對於所述第一級稜鏡的所述第一級背面壓緊所述第二級稜鏡的所述第二級背面或者釋放壓緊。
23.如權利要求18-21或22所述的光子發動機，其特徵在於，所述預定的反射光路從所述第二級稜鏡的所述第二級背面經所述第二級稜鏡的初始側面延伸到在所述第二級稜鏡的外部的初始對應反射面，經所述初始側面返回到所述第二級背面，經所述第二級稜鏡的後續側面到在所述第二級稜鏡的外部的後續對應反射面，經所述後續側面返回到所述第二級背面，所述後續側面選自所述初始側面和不同的側面所組成的組。
24.如權利要求18-22或23所述的光子發動機，其特徵在於，所述光擴展器/收縮器裝置還適於倒轉最大地擴展的光束的方向。
25.如權利要求18-23或24所述的光子發動機，其特徵在於，所述能量系統是能量儲存 裝直。
26.如權利要求18-24或25所述的光子發動機，其特徵在於，所述光擴展器/收縮器裝置是有多個面的石英塊。
27.如權利要求26所述的光子發動機，其特徵在於，所述有多個面的石英塊包括圓錐形表面，所述圓錐形表面包括一個中心面和延伸到一個外部同心面的若干同心面。
28.如權利要求27所述的光子發動機，其特徵在於，還包括與所述外部同心面相鄰的外部同心反光鏡，所述外部同心反光鏡適於倒轉最大地擴展的光束的方向。
29.如權利要求18-27或28所述的光子發動機，其特徵在於， 所述容納室包括 所述初始側面和初始對應反射面； 不同的側面和不同的對應反射面； 以及 所述預定的反射光路反覆地從所述第二級背面經所述初始側面延伸到所述初始對應反射面，經所述初始側面反悔到所述第二級背面，經所述不同的側面到在所述第二級稜鏡外部的所述不同的對應反射面；近所述不同的側面返回到所述第二級背面。
30.如權利要求23-28或29所述的光子發動機，其特徵在於，所述預定的反射光路與所述初始側面大致成直角地延伸，並延伸到所述後續的側面。
31.如權利要求18-29或30所述的光子發動機，其特徵在於， 所述第一級稜鏡與包括一個或多個反射面的一個或多個聚光鏡相連通，所述一個或多個反射面適於收集和聚集光並將所聚集的光傳輸給所述第一級稜鏡；以及 所述容納室適於容納沿所述預定的反射光路對所述經處理的聚集光束進行的傳播。
32.如權利要求18-30或31所述的光子發動機，其特徵在於， 所述光學開關適於將所聚集的光分離多次，產生多個經處理的聚集光束，所述多個經處理的聚集光束包括比所聚集的光要高的功率輸出；以及 所述容納室適於容納沿所述預定的反射光路對所述多個經處理的聚集光束進行的傳播。
33.如權利要求18-31或32所述的光子發動機，其特徵在於，所述能量系統是能量儲存裝置。
34.如權利要求18-32或33所述的光子發動機，其特徵在於，所述能量系統是活塞和曲 柄軸組件。
35.如權利要求18-33或34所述的光子發動機，其特徵在於，所述能量系統是彈簧裝置。
36.如權利要求22-34或35所述的光子發動機，其特徵在於， 所述第一折射率大於I. 45 ;以及 所述第二折射率大於1.45。
37.如權利要求18-35或36所述的光子發動機，其特徵在於，包括多個氣缸。
全文摘要
一種利用光波的輻射壓力產生機械功的方法。首先，設置一個用於容納光波在其內傳播的容納室(102)。然後在所述容納室裡定位一個具有一反射表面(112)的可運動的反光鏡(112)。然後，把光波引入所述容納室，並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並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並隨後將其增強。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F03G7/00GK102736245SQ20121012041
公開日2012年10月17日 申請日期2004年3月19日 優先權日2003年3月19日
發明者J·M·克雷 申請人:空間設計股份有限公司