专利名称：用于转变或利用辐射压力产生机械功的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明的背景本申请要求对2003年3月19日提交的美国实用新型申请10/393,114(现在待审批中)的优先权。以上申请本文已被全面引用并构成本发明的一部分。
本发明总地涉及一种用于获取电磁波中的能量并把这种能量转变成例如机械功的功的形式的方法和设备。本发明还涉及一种用于传输或操控光波的方法和设备。
本发明的概要在本发明的一个方面，提供了一种利用光波的辐射压力来产生机械功用的方法和设备。这种方法包括这样的步骤设置一个用于容纳光波的传播的容纳室，然后，在该容纳室的一个第一位置定位一个有一第一反射表面的可运动的反光镜。把光波引入容纳室并使其射向反射表面。于是，光波接触反射表面并使辐射压力作用在其上。
在本发明的另一个方面，提供了一种利用光波的辐射压力来产生机械功的设备。这种设备也包括一个容纳室，它被构造成能够容纳光波在其内沿着一预定的光波反射路径传播。这种设备还包括一个可选择性地操作在一开通模式和一关闭模式的光开关(optic switch)，其中开通模式允许光波进入容纳室，而关闭模式阻止光波跑出容纳室。还有，这种设备具有一个定位在容纳室的一端的反光镜和定位在容纳室的一第二端的第二反射表面。第一和第二两个反射表面被定位成所述预定的光波路径延伸于其间。这种设备的工作使得光波对第一反射表面的重复接触使辐射压力重复地作用在第一反射表面上而使可运动的反光镜沿着预定的路径运动。以这种方式，就产生了机械功。
在本发明的再一个方面，提供了一种用于传输和/或操控光波的方法和设备。按照一种方法，把光波截获并随后予以增强。较佳的是，按照本发明，可通过一种光倍增器(light multiplier)或光波增强器的工作把光波分裂开。
在本发明的再一个方面，提供了一种用于用一个界面和/或通过一个界面传输光波的方法和设备。更准确地说，本发明提供了一种操作，即开关在开通和关闭之间(或在透明和反射状态或模式之间)的界面用的方法和设备。较佳的是，开关操作需要操控界面的相互作用的总指数(total index of interaction)。在较佳的模式中，这种方法包括通过压紧来消除边界界面。
在一个较佳实施例中，本发明的设备采用至少一个棱镜作为光开关，并且一个容纳室包括一个或多个高度反射的反光镜，它们能够反射光波而使其在容纳室里传播。在一个工作模式，这些反光镜承受辐射压力并反射光波，从而把容纳室里的某些光能转变成机械能和/或机械功。在一个实施例中，本发明的方法包括把至少两个棱镜定位成互相贴近，并通过把两个贴近的表面或壁面压紧来减小或消除两者之间的反射性光学界面，从而允许光辐射能像没有界面一样穿过去。
在本发明的另一方面，提供了一种利用光波的辐射压力产生机械功的方法。这种方法包括设置一个用于容纳光波的传播的一容纳室的初始步骤以及在该容纳室的一第一个位置定位一个有一第一反射表面的可运动的反光镜。然后，在容纳室里的一第二个位置定位第二个可运动的反射表面，并把第一和第二反射表面的位置和取向确定为能够至少部分地限定一个预定的光波反射路径。这种方法还包括把光波引入容纳室的步骤。这一引入步骤包括使被引入的光波射向所述两个反射表面之一，从而使光波在第一和第二两个反射表面之间沿着一预定的路径传播许多个循环。按照这种方法，光波接触第一反射表面并使辐射压力作用在第一反射表面上，然后被这一初始反射表面以一个大致的直角反射出去。
较佳的是，这种方法还包括对另一个光波重复地进行引入步骤，从而，光波对第一反射表面的重复接触致使辐射压力推动第一反射表面沿着一个预定的路径运动。更佳的是，定位步骤还包括把一第二可运动反光镜定位在容纳室里，该第二反光镜具有所述第二反射表面，以及，给被引入的光波定向的步骤致使光波重复地接触第二反射表面并使辐射压力重复地作用在第二反射表面上，借以实现第二反射表面沿着第二个预定的路径运动而产生机械功。
最佳的是，这种方法还包括设置一个棱镜并把该棱镜定位成使它的体积构成容纳室的一部分以及它的至少一个表面形成容纳室的一个边界。这样，引入步骤包括把光波穿过所述一个表面射入该棱镜。
在一个实施例中，在把光波引入容纳室之前把光波或光束射向一个第一或第一级棱镜。在第一级棱镜内部，光束被多次分裂(最好是通过操作一光倍增器)并且改变自身的方向(这将压缩光束长度)。以这种方式，使被引入容纳室的光波的强度较佳地增大到一个预定的量级。
熟悉本技术领域的人，从下面各较佳实施例和附图的详细说明中，可以明显地看出本发明的这些和其它特点和优点。
附图简要说明
图1是一个诸如光子发动机的设备的简化示意图，这一设备用于按照本发明利用光波的辐射压力来产生机械功；图1A是按照本发明的一压紧边界界面(compression boundary interface)在关闭模式的一种详细表示；图1B是按照本发明的该压紧边界界面在开通模式的一种详细表示；图2是适用于本发明的设备的一个活塞组件的一个实施例的简化示意图；图3是按照本发明的一个光子发动机(photon engine)的一个替代实施例的简化示意图；图4A和4B是按照本发明可配用于光子发动机的两个棱镜的示意图；图5是本发明的设备的再一个实施例的简化示意图；图6A是表示本发明的一个替代设备和操作这种设备的方法的简化平面示意图；图6B是图6A的设备的侧视图；图7A是表示本发明的光子发动机的一种替代的第一级棱镜和第二级棱镜的简化示意图；图7B是图7A中所示的本发明的光扩展器(light expander)/光收缩器(lightcontractor)的详细剖面图；图7C是图7A中所示的本发明的光扩展器/收缩器的平面图；图7D是表示本发明的光扩展器/收缩器的工作的示意图；图7E是本发明的第一级棱镜的光扩展器的工作的一种简化的表示；图7F是本发明的第一级棱镜的光收缩器的工作的一种简化的表示；
图7G是本发明的第一级棱镜和第二级棱镜的工作的一种简化的表示；以及图7H是由本发明的光扩展器/收缩器的工作产生的光束辐射形态(pattern)的截面图。
本发明的详细说明图1-7表示出本发明的设备和/或方法。这些图体现了本发明的各个方面。
本发明总地涉及利用光波所固有的或可从光波获得的辐射压力来产生功，例如机械功。这种辐射压力源是由光源提供的，或者更准确地说，是由从一个光源射入本发明的设备里的电磁波或在本发明的设备里传播的电磁波来提供的。本发明还总地涉及用于传输或操控这样的光波的方法和设备。本发明的光子发动机的工作需要采用本发明的这一方面。一般地说，是把电磁波通过至少一个可工作的棱镜射进一个容纳室，其中棱镜以开关方式工作。在一个较佳实施例中，用一个第一级棱镜和一个第二级棱镜，它们一起工作而形成一个光开关注入阀门(light switchinjection valve)，这个阀门或者把进入第一棱镜的光反射回去或者允许光通过而进入容纳室。
这种光开关的工作(下文将参照图1-7讨论)是基于一种光学现象，在这种现象中，两个单独的介质(也就是棱镜)可被沿着一个界面压紧而成为像一个介质一样起作用的组合介质。首先，以一个预定的角度把光引入第一级棱镜。在光开关处于关闭或非工作状态的情况下，光将被第一级棱镜的背面或后壁反射出去。为了开通光开关而使其处于工作状态，可通过一个外部驱动装置的工作把第一级棱镜和第二级棱镜，即第一和第二两个单独的介质互相压紧到一起(更具体地说，是把第二级棱镜压靠于或压向第一级棱镜)。在这样做时，两个棱镜之间的边界也就是公共面消失了，因而两个介质就像一个介质一样起作用。典型地，这种边界是由具有不同于棱镜材料的折射率的一空气隙或真空(在关闭模式)形成或产生的。所以，射入第一棱镜的光可通过第一棱镜和第二棱镜的边界、再通过第二棱镜而进入容纳室。更为有利的是，以一个预定的角度把光射入第一级棱镜，使光以一个垂直于安装在容纳室里的一反光镜的角度进入容纳室并在其内传播。
在把光容纳在容纳室里的情况下，把光开关关闭。这样，在容纳室里的光波或光被维持成列为光柱形式(columniation)并继续在其内传播。更精确地说，被容纳起来的光以一个直角反射出第一反光镜，然后以大约45°或其它预定的角度撞到第二级棱镜的一个表面上，并且随后也是以一个直角反射出第二个反光镜。这三次反射构成一整个循环，这个循环会在一个已知的预定时间框架(time frame)内重复进行。在开通模式和关闭模式之间，这个时间框架还较佳地对应于光开关的工作频率的1/2。在每一循环过程中，光以一个高速率在三个反射表面之间循环，把辐射压力传递给或传递过两个反光镜表面，从而把光波的能量转变成或转化成机械功，也就是反光镜的运动。在各较佳实施例中，反光镜是可工作地连接于一个活塞并且是装在一个气缸组件里(气缸最好是不吸收光)，而像一个发动机那样工作。
为便于本发明的说明，首先简明地解释某些概念。
作为本发明的方法的利用对象的光波是电磁波。电磁波输送线性的动量，使得可以通过把光照射在一个表面上来对该表面施加机械压力。应该理解对各个单个光子来说，这种压力是很小的。然而，只要光子的数量足够多，就可获得有实际意义的机械压力。
麦克斯韦电磁定律指明，一个被完全吸收的平行光束所产生的动量可表示为能量U除以光速c，即p=Uc]]>如果光束被全反射，则以直角入射并反射所产生的动量是被完全吸收的数值的两倍。
p=2Uc]]>这些例子代表动量传递的范围的两端。在一端是完全非弹性的情况，即光束被完全吸收，在这种情况中，光粒子粘着在一起，并且大多数动能典型地损失于能量的另一种形式，诸如热能或变形。在另一端光束被全反射，表现为一种完全弹性的碰撞，在这种情况中动能被保存着。
参照图2，以下几个段落给出用本发明的设备和方法也就是一个光子发动机能够产生的功率的计算。这些计算可分为四个部分力(F)、时间(T)、功(W)以及功率(P)。
以下详细说明一单个反光镜的力的计算，其面积为Am，进入容纳室的初始辐射压力为p1，直到在z次反弹(bounce)之后辐射压力变为0。
F0-z＝p1Am+p2Am+p3Am+...+pzAm每一次辐射压力反弹(radiation pressure bounce)前后之间的关系可表示为表面反射率ρ的函数。
p2＝ρp1，p3＝ρp2，p4＝ρp3，...，pz＝ρpz-1把这种辐射压力关系插入所有表面反弹之间，得到以下关系式F0-z.总＝p1Am+εp1Am+ε2p1Am+...+εzp1Am 对于一单个反光镜，应该把每个第四次反弹添加于这种力计算F.0-z.单个平面镜＝p1Am+ρ4p1Am+ρ8p1Am+...+ρ4z/4p1Am或 这个力的时间或持续时间可通过把光走过的距离除以光的速度来得到，即t=zdc]]>所得到的力在一个物体上所做的功等于该物体动能的变化。一单个活塞头的功计算表示如下W=12m(v22-v12)→v1=0W=12mv22]]>速度、加速度和力之间的关系如下v＝atF=ma⇒a=Fm]]>所以v=Fmt]]>
为了得出作用在一单个反光镜上的功，把力、时间和速度方程式代入功方程式，于是 对于几乎等于1的反射率，作用在第二反光镜上的力近似等于作用在第一个反光镜上的力。因此，在一个容纳室里功的总数为 功率是单位时间内所作的功。如果使一单个容纳室连续地工作，功率就必须考虑气缸的包括压缩和膨胀阶段的全部工作或循环，其中，在一半的压缩阶段过程中施加力，而在膨胀阶段过程中力消除，因此 对于一个有4个容纳室的光子发动机，功率可表示如下 现在来看图1-7，这些图表示出本发明的设备的几个实施例。特别是，图1、3、5和7各描绘出本发明的一个示例性的光子发动机和与它们配用的本发明的各种装置。这些图也描绘出本发明的用于传输和操控光波的各个装置。这些创造性的装置之一是一种压紧边界光开关(compression boundary light switch)。这些装置中的另一个是一个第一级棱镜，它能够倍增或分裂引入其内的光波(也就是在引入容纳室之前)以增大光波的强度。
图1是可以按照本发明操控或传输光或光波和/或利用辐射压力产生机械功的系统和/或设备100的简化示意图。具体地说，设备100是一个能够利用由被引入它的或被它操控的光波提供的辐射能量的光子发动机。本发明的光子发动机100较佳地包括一个用于接收光波的第一级棱镜106、一个可与第一级棱镜106协同工作的第二级棱镜107以及一个容纳室102(如图1中的虚线所示)。第一级棱镜106和第二级棱镜107安装成面贴面(或壁贴壁)而形成一个压紧边界界面114。前面已经简论，界面114在一个状态中实际上可包括在两个表面之间的一个可关闭的或可压紧的气隙或真空隙，这还将参照图1A和1B进一步讨论。
这一示例性的光子发动机100还包括大致完全相同的一对活塞外壳或气缸108、活塞组件110以及两个反光镜112。容纳室102由第二级棱镜107的前表面、一对气缸108和两个反光镜112限定。高度反射的反光镜112安装在可运动的活塞110的平顶面上。反光镜112和活塞110在气缸108内一起运动。下面还将讨论，活塞组件110可机械地连接于一个曲轴线组件或类似的结构件。
从图1可看出，反光镜112和活塞组件110可使容纳室102的至少在第二级棱镜107的任一侧的容积增大或减小。较佳的是，两个反光镜112将协调地运动(作为较大的活塞/曲轴线组件的一部分)。而且，第一级棱镜106和第二级棱镜107之间的压紧边界114可由本发明的一个光开关来控制。如上所论，可以用一个压电驱动机构116来操作这一光开关，该压电驱动机构116可迫使气隙关闭(通过压紧)以使光波能够穿过而进入容纳室102。所以，是压电驱动机构116以可控制的方式决定着光开关114的开通模式和关闭模式。
较佳的是，光子发动机100用石英材料制作第一级棱镜106和第二级棱镜107。更准确地说，光子发动机100设有一个压紧边界光开关，这个光开关以石英的两个基本原理或性质工作压电效应和全内反射(TIR)。在石英被放在一个电场里时它就产生压电效应。特别是，在电场里的石英会膨胀。石英的晶格结构有三个主轴线X、Y和Z。把石英以其X轴线顺着电场方向放在电场里，石英将根据电场的方向膨胀或收缩。如果电场使石英沿着X轴线压缩，那么石英将沿着Y轴线或在Y轴线方向膨胀。通过约束石英在Y轴线方向的膨胀，石英里将产生沿着Y轴线方向的应力。可将石英在X轴线方向的电场里在Y轴线方向产生的这种应力和随之产生的应变用于压紧两块石英(即第一级棱镜106和第二级棱镜107)。
图1A描绘出在关闭或非工作状态压紧边界界面的一个详细示意图。在这一状态，第一级棱镜106的背面106c与第二级棱镜107的前面107c之间有间隔。按照斯涅尔折射定律，在给定的入射角下，这两个棱镜的折射率是足够接近的(例如，互相之间的差别较佳地在约5％到20％以内)，这有利于光开关在开通模式的工作。并且，这两个棱镜的折射率从空隙(或空气空间)方面来看是有足够大差别的，这有利于光开关在关闭模式的工作。因此，可在两个表面106c和107c之间设置一个气隙170。在这一描述中，压紧边界或界面114是指气隙170以及两个表面106c和107c。图1A还给出了石英或第一级棱镜106的坐标轴线。典型地，在关闭或非工作状态，气隙170的宽度约为2,000纳米到50纳米，更佳的是在约为1,000纳米到100纳米之间。
图1B表示出在压电驱动机构116工作时压紧边界114的压紧。由于施加了电场，气隙170被压紧到约为100纳米到0纳米。如上所论，施加电场使石英在X轴线方向收缩，这使得产生Y轴线方向的应力(由于石英材料或表面106c在Y方向的膨胀被阻止)。较佳的是，压电驱动机构116既作用于第一级棱镜106也作用于第二级棱镜107，更确切地说是作用于表面106c和107c。较佳的是，把气隙170压紧到宽度为约100纳米到约0纳米，更佳的是，把宽度压紧到约50纳米到约0纳米。
图1A和1B也表示按照本发明把光波AA传输通过第一级棱镜106和/或压紧边界170。在图1A中，光波AA以大约45°的入射角射到背面106c上。由于由空气隙170产生的折射率，光波AA由于全内反射(TIR)而被反射向大致相对于入射光为90°的方向。在图1B中，由于气隙170已基本上被消除，以及由于第二级棱镜107的石英材料基本上类似于第一级棱镜106的石英材料，两个表面106c和107c用作一单个介质。也就是说，不同的折射率(由气隙170引起的)的影响消除了。因此，光波AA能够通过第一级棱镜106的表面106c和第二级棱镜107的表面107c而不会被阻断。
斯涅尔折射定律描述当辐射或电磁波从一种介质到另一种介质时发生的现象。所形成的角度是入射角和两种介质的折射率的函数。如果斯涅尔折射定律的结果是一个虚数，电磁波就是全内反射(TIR)。本发明的光子发动机100可利用这一现象把光波容纳在第一级棱镜内(下文还将结合再一个实施例进行说明)。
通过用压电压缩做到TIR边界的耦合和TIR边界的消除，就可形成本发明的光开关。在不施加电压的非工作状态，光波是TIR因而处在容纳室102的外面。当施加电压时，光开关就处于开通模式而TIR边界被消除。这就允许光波穿过压紧边界或界面CC而进入容纳室102。因此，本发明的方法的一个重要步骤是开通光开关而后把它快速关闭，从而获得或容纳了光。
较佳的是，压电驱动机构116包括一个高电压低电流(近乎静电)的电源，这个电源发信号给压电石英或棱镜106和107。用例如铜板做好压电驱动机构116对第一级棱镜106和第二级棱镜107的适当表面的机械连接。压电驱动机构116还包括一个场效应晶体管，用于以特别快的脉冲(吉伽赫兹)进行光开关的开通和关闭。更佳的是，这种脉冲是以纳秒级的时间开通而后以毫米级的时间关闭。
图2是包括活塞210和反光镜212的运动组件的一个实施例的示意图。这一组件的质量为m(以及还有一个特定的面积)，反射率为E。在工作中，把光通量P1越过一距离d照射到反光镜表面上，这一光通量被传输通过压紧界面214进入第二级棱镜207。辐射压力p集合地产生作用在反光镜212和活塞组件210上的机械力。
现在来看图3，其表示出本发明的光子发动机的一个替代实施例300。在所描绘的这一方案中，类似的标号标示类似的元件。第一级棱镜306和第二级棱镜307安装成互相贴近。具体地说，第一级棱镜306的背面306c和第二级棱镜307的前面307c之间有间隔，形成第一级棱镜306和容纳室302之间的压紧边界界面314。在这一实施例中，边界界面314提供一个断面为八角形的光开关元件。在结构设计和工作的所有其它方面，光子发动机300基本上类似于图1所描绘的光子发动机100。与图1的光子发动机100一样，光子发动机300包括一对气缸308、一个可在气缸内运动的活塞310以及安装在活塞310上的高度反射的反光镜312。
图4A和4B表示出适于用作本发明中的第一级棱镜的各种几何形状的棱镜406。各个棱镜406最好是用折射率大于1.45的晶体石英材料制造。在实际应用中，重要的是备有高度抛光的表面，以使光波能够通过或从这种表面折射，通过或反射。在图4的棱镜406中，为此目的，表面A、B和C都是抛光的。
图5描绘出本发明的用于把辐射能转变成不同形式的能或功的一个系统501的简化示意图。系统501利用如前所述的光子发动机500。而且，系统501采用有内抛物线表面的第一级聚光镜541，可给这一表面覆盖或涂覆上3MTM辐射光薄膜。系统501还可包括或利用至少一个第二级聚光镜540，将其安装在第一级聚光镜541的上方并定位成能反射从第一级聚光镜541的内抛物线表面反射来的光波。第二级聚光镜540的特征是面积较小，但可在其外表面上有利地覆盖或涂覆以3MTM辐射光薄膜。这一系统还可配备一个光导管545，用于把聚集的光从第二级聚光镜540和第一级聚光镜541传输到光子发动机500。较佳的是，系统501应包括一个支架和支座组件544以及一个用于把系统501指向辐射源的定向控制器(pointingcontroller)543。
图6A和6B是进一步表示本发明的光子发动机尤其是多缸光子发动机600的简化示意图。这两个图还表示本发明的光子发动机600的工作。图6A是发动机600的正视图，包括两个协调往复运动的气缸608和608’。在图6B的侧视图中，表示出在光子发动机600的一侧的四个气缸608。每一气缸608有一个可在其内运动的活塞组件610，而活塞组件是可工作地连接于曲轴组件611。
再看图6A，光子发动机600包括一个八角形的第一级棱镜606和一个类似形状的第二级棱镜607，两者定位成互相靠近，压紧边界界面614至少部分地由背面606c和前面607c形成。第二级棱镜607把两个气缸608和608’连通，因而也使气缸608和608’里的反光镜612和活塞610相通。在图6B的侧视图中，表示出四个第一级棱镜606和四个第二级棱镜607，每一对棱镜可工作地连接于一对或一列气缸608以及装在气缸里的活塞610和曲轴组件611。
再看图6A，压紧边界界面614被石英压电驱动机构616驱动而像前面所述那样开通或关闭压紧边界光开关(CBLS)。在图6A中，标号614a所指的界面表示光开关处于关闭位置(虚线)，而标号614b表示光开关处于开通位置。图6A还表示出一个设置在光子发动机600的外面的光波617的光源。光波617首先被聚光镜618截获并集聚而后作为瞬时辐射(instant radiation)射向第一级棱镜606(见箭头AA)。光波AA以约为45°的入射角射在背面606c上。如果此时光开关是处于关闭位置(标号614a所指的虚线)，光波AA就被界面614a反射出去(见虚线)并且通过棱镜606的另一表面射出(从第一级棱镜606出去了)。
在界面614处于开通位置时(标号614b所指的实线)，光波AA穿过界面614b而进入容纳室602并射在表面606上，如箭头AA’所示。还有，棱镜606和607被构造成可使光波AA’进入容纳室602并直射进气缸608。这样，光波AA’以较佳的大致直角接触于反光镜表面612，其结果是达到相当高度的反射。如该图所示，被反射的光波大致直线地反射回界面614b，不过此时界面已处于关闭位置，因而反射回来的光波以大约45°角射在界面上。因此，被反射的光波AA’又被关闭着的界面614b反射向容纳室602的第二个气缸608。如前所述，被反射的光波AA’也以大致直角射在第二个反光镜612上并被以直角反射回来(高度的反射)。因此，光波AA’是沿着同一反射路径到达第二个反光镜612。在一个方面，预定的光路径是由棱镜606和607、气缸608和608’以及其它元件所限定。这样一个预定的光路径在图6中用双向箭头AA’表示。
也是如前所述，光波AA’对反光镜612的表面的接触产生作用在其上的辐射压力。这一辐射压力会使反光镜612和活塞610组件移动一个图6中用X表示的距离，从而产生功。而且，这一位移使曲轴组件611转动，从而产生机械功。在另一种状态，可以以频率调制方式操作驱动机构616，使光开关的开通和关闭允许光波按照与第二级棱镜607内部的辐射频率有关的时间比例进入第二级棱镜607。以这种方式，可增强作用在活塞组件612上的辐射压力。
图7的简化示意图表示出本发明的光子发动机的另一个替代实施例，其中类似的标号标示类似的元件。具体地说，图7a描绘第一级棱镜706和第二级棱镜707的一种布置，这种布置采用埋置在第一级棱镜706里的一个光束扩展器/收缩器762。特别是，光束扩展器/收缩器762可起到把光束分裂多次并且改变自身的方向的作用，从而增加最终被引入容纳室702a的光波的强度。
在图7的实施例中，第一级棱镜706是八角形的，因而它有八个表面或壁面708a-708h(只表示出其中一些)。与前面的实施例中一样，第一级棱镜706是较佳地用石英材料制成的。第一级棱镜706包括一个从其第一表面706a突出的突起760，其用作一光束入口760。该光束入口760较佳地是集聚的圆形的。还有，第一级棱镜706的另一表面706c定位成靠近第二级棱镜707的前表面707c并与之有间隔而形成一压紧边界界面714。如上所论，该界面714构成本发明的可由适当的驱动机构操作的一压紧边界光开关。
来看图7B的详图，在本发明的再一个方面，第一级棱镜706配备有一个光束扩展器/收缩器762，其定位在第一级棱镜706的内部并埋置在石英材料706’里。图7C和7D给出了扩展器/收缩器762的更详细的描绘。
现在来看图7D，光扩展器/收缩器762是一个埋置在石英材料706’里的有多个面的石英块。从物理上来说，光扩展器/收缩器762是用圆形截面的石英材料706’雕刻出来的，其上切割出许多同心的空气界面786。把有刻面的石英块对中于有给定的直径的入射光束AA。如图7B中所示，石英块762(也就是光扩展器/收缩器)提供了一组石英—空气界面的45°同心刻面。画有阴影线的断面表示出第一级棱镜706的石英材料706’以及石英块762的石英材料706”。其余的没有阴影线的面积是空气或真空界面782，其中没有石英材料。更重要的是，这些空气界面782的光学性质(也就是折射率)不同于石英材料的光学性质。图7B和平面图7C还描绘出提供各同心的界面的外部圆筒的一个同心的反光镜780。下面还将解释，反光镜780的作用是在工作过程中反射光的处于最外直径同心圆筒里的那部分的光，借以使光的路径倒过来并开始光收缩过程。
图7D的示意图表示出本发明的光扩展器/收缩器762怎样传输或操控光束AA行进通过第一级棱镜706。在第一种传输方式中，光束AAE在45°的石英—空气界面784上反射。每一入射光束经历两个90°的向外方向的反射，从而把光束的直径转变成较大的直径(扩展)。在反过来的方式中，光束AAc又撞到石英—空气界面784上并再经历两个90°的反射，这使光束的直径变成较小的直径(收缩)。
所以，光扩展器/收缩器762可进行三个工作光扩展、光反射和光收缩。一旦光束AA已经扩展到最大的同心圆筒就发生光反射(AAL)。这受到反光镜780的反射的促进，反光镜780会使光AAL的方向倒过来。一旦光束已经完全扩展和收缩，光开关(压紧边界界面714)就被启动，从而允许容纳室702在两个方向容纳光波，如图7G所示。图7H表示出在光束通量已经在第一级棱镜706里倍增之后所得到的、作用在反光镜710和活塞组件712上的光束形态。一旦所有的光都被注入了容纳室702，光开关就返回到关闭位置，使所得到的光束被容纳在容纳室702里。所以，由第一级棱镜706进行的光束通量的倍增可产生较高功率的输出。
图7E和7F描绘出第一级棱镜706的一般工作情况，这时压紧边界光开关是处于关闭或断开状态。被收集的光束AA被以大致直角通过光束进口760而引入第一级棱镜706。较佳的是，光束进口760被安装成能够使被引入第一级棱镜706的光束AA射向背面706c和压紧边界界面714。初始时，光开关是处于关闭或反射阶段。这样，光束AA以大致直角反射并射向第一级棱镜706的另一表面706e。这一被反射的光束AA的入射角可使光束AA也将以大致直角反射离开棱镜表面706e(以及后续的表面706g)。相应地，如图7E所示，由于全内反射，光束AA初始地绕过第一级棱镜706。
较佳的是，被收集的光束AA进入第一级棱镜706并在进入光扩展器/收缩器762之前经历三次光反射。光束AA进入光扩展器/收缩器762的方向决定着光束AA是否会被扩展或收缩。在图7E中，表示出光束AA在第一级棱镜706里沿着顺时针方向转动。沿着这一方向，光束进入光扩展器/收缩器762而使光束AA被扩展。相反，光束AA可以在第一级棱镜706里沿着逆时针方向转动。如图7F中所示，光束AA进入光扩展器/收缩器762而使所得到的光束被收缩。随着光束的每一转动和进入光束扩展器/收缩器，所得到的光束AA可扩展或收缩到相邻一级的同心圆筒。但是，扩展是受到在最大一级的同心圆筒的反光镜780的限制。这时，光束AA的方向被倒过来，从而重新开始收缩过程。
但是应该理解，可以对本发明的设备的各个构成部分做各种布置和安排，并且可根据特定的环境和应用来改变这种布置和安排。但是，不管在那一种应用中，以上所述的本发明的各个方面都是适用的。例如，光子发动机的各个方面，诸如容纳室的设计、光开关装置以及光倍增器或光波增强器都可应用于其它的发动机或机械功装置。作为一个进一步的例子，可以用其它的能量系统诸如能量储存装置(例如一个弹簧装置)来取代活塞和气缸组件。
为了图示和说明的目的，已经对本发明进行了以上描述。应该注意到所作的说明不是意在把本发明限制于本文揭示的设备和方法。以上说明的本发明的各个方面可应用于其它型式的发动机和机械功装置以及用于获取辐射压力而产生机械功的方法。还应注意到，本发明是体现在所描述的方法、这些方法中采用的设备、以及相关的构成部分和分系统之中。熟悉光学器件、发动机技术领域或其它相关技术领域的人可以根据这里的说明对本发明做出各种改变。因此，与以上创意和技巧以及相关知识等同的各种改变和变型都属于本发明的范围内。这里描述和图示的各实施例还意在阐明用于实现本发明的方法以及使熟悉本技术领域的人能够利用本发明和其它实施例做出各种变形，以实现本发明的各种具体应用。
权利要求
1.一种利用光波的辐射压力产生机械功的方法，所述方法包括下列步骤设置一个用于容纳一光波的传播的容纳室；在所述容纳室的一第一个位置定位一个具有一第一反射表面的可运动的反光镜，在所述容纳室里的一第二个位置定位一个第二反射表面，从而所述第一和第二两个反射表面的位置和取向被确定为能够至少部分地限定一个预定的光反射路径；把光波引入所述容纳室，所述引入步骤包括使被引入的光波射向所述两个反射表面之一，从而使光波初始地接触所述反射表面并使辐射压力作用在这一初始反射表面上，随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着所述预定的路径行进，使被反射的光波被另一反射表面以一大致直角反射，并沿着所述初始光反射路径返回，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，使所述光波继续在所述两个反射表面之间沿着所述预定的光波路径传播许多个循环，并使光波的辐射压力重复地作用在所述初始反射表面上，从而使所述初始反射表面沿着一个预定的路径运动而产生机械功。
2.如权利要求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，并且所述给被引入的光波定向的步骤包括把光波射向所述第一反射表面。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定位步骤包括把一个第二可运动的反光镜定位在所述容纳室里的步骤，所述第二反光镜具有所述第二反射表面。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述给被引入的光波定向的步骤可使所述光波重复地接触所述第二反射表面以及使辐射压力重复地作用在所述第二反射表面上，从而使所述第二反射表面沿着第二个预定的路径运动而产生机械功。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，它还包括设置一个棱镜并把所述棱镜定位成它的体积构成所述容纳室的一部分以及它的至少一个表面形成所述容纳室的一个边界的步骤。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述引入步骤包括使光波射向所述棱镜而穿过所述一个表面。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤在所述引入步骤之前光学地开通所述棱镜的所述一个表面，使光波穿过所述一个表面进入所述容纳室；以及在所述引入步骤之后关闭所述一个表面，使所述定向步骤致使被反射的光波被所述一个表面重复地反射。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述定位步骤包括把第二可运动反光镜定位在所述容纳室里的步骤，所述第二反光镜具有所述第二反射表面，以及，所述定向步骤使所述光波在所述第一反射表面、第二反射表面和所述棱镜的所述一个表面之间传播。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，它还包括设置第二棱镜并把所述第二棱镜定位成它的一个表面贴近所述第一棱镜的所述一个表面的步骤；以及其中，所述开通所述一个表面的步骤包括把所述第一棱镜的所述一个表面压靠到所述第二棱镜的所述一个表面上，使所述这两个被压在一起的表面形成一个透明的界面。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤在许多循环结束之后，重复所述开通所述第一棱镜的所述一个表面的步骤，对另一个光波重复所述引入步骤，以及重复所述关闭所述第一棱镜的所述一个表面的步骤，从而光波重复地接触所述第一和第二两个反射表面使辐射压力推动所述反射表面沿着一个预定的路径运动而产生机械功。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可运动的反光镜是可工作地连接于一个活塞和气缸组件，因而所述第一个反光镜的运动可使所述活塞沿着一个预定的路径运动而产生机械功。
12.一种利用光波的辐射压力产生机械功的方法，所述方法包括下列步骤设置一个用于容纳光波的传播的容纳室；在所述容纳室的第一个位置定位一个具有一第一反射表面的可运动的反光镜，以及在所述容纳室里的第二个位置定位一个第二反射表面，并将所述第一和第二两个反射表面的位置和取向确定为能够至少部分地限定一个预定的光反射路径；以及把光波引入所述容纳室，所述引入步骤包括使被引入的光波射向所述两个反射表面之一，从而使光波在所述第一和第二两个反射表面之间沿着一个预定的光波路径传播许多个循环，借以使光波接触所述第一反射表面并使辐射压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.如权利要求12所述的方法，其特征在于，它还包括对另一个光波重复进行所述引入步骤的步骤，从而，光波对所述第一反射表面的重复接触使辐射压力推动所述第一反射表面沿着一个预定的路径运动。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述定位步骤包括把第二可运动反光镜定位在所述容纳室里的步骤，所述第二反光镜具有所述第二反射表面，以及，所述给被引入的光波定向的步骤可使光波重复地接触所述第二反射表面以及使辐射压力重复地作用在所述第二反射表面上，从而使所述第二反射表面沿着第二个预定的路径运动而产生机械功。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，它还包括设置一个棱镜并把所述棱镜定位成它的体积构成所述容纳室的一部分以及它的至少一个表面形成所述容纳室的一个边界的步骤，以及，所述引入步骤包括使光波射向所述棱镜而穿过所述一个表面。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤在所述引入步骤之前光学地开通所述棱镜的所述一个表面，使光波穿过所述一个表面进入所述容纳室；以及在所述引入步骤之后关闭所述一个表面，使所述定向步骤致使被反射的光波被所述一个表面重复地反射。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，它还包括设置第二棱镜并把所述第二棱镜定位成它的一个表面贴近所述第一棱镜的所述一个表面的步骤；以及其中，所述开通所述一个表面的步骤包括把所述第一棱镜的所述一个表面压靠到所述第二棱镜的所述一个表面上，使所述这两个被压在一起的表面形成一个透明的界面。
18.一种利用光波的辐射压力产生机械功的设备包括一个被构造成能够容纳一光波在其内沿着一个预定的光波反射路径传播的容纳室；一个可选择性地工作在一开通模式和一关闭模式的光开关，其中所述开通模式允许一光波进入所述容纳室，而所述关闭模式能阻止所述光波逃出所述容纳室，一个定位在所述容纳室的一端的反光镜，所述反光镜具有一第一反射表面；以及定位在所述容纳室的一第二端的一第二反射表面，其中，所述预定的光波路径延伸于所述第一和第二两个反射表面之间；以及其中，光波重复地接触所述第一反射表面使辐射压力重复地作用在所述第一反射表面上而使所述可运动的反光镜沿着一个预定的路径运动，从而产生机械功。
19.如权利要求18所述的设备，其特征在于，它还包括一个定位在所述容纳室的所述第二端的第二可运动反光镜，所述第二反光镜具有所述第二反射表面。
20.如权利要求19所述的设备，其特征在于，它还包括定位在所述容纳室里的一第一棱镜，所述第一棱镜定位成它的体积构成所述容纳室的一部分以及它的一个表面构成所述光开关的一个门；以及定位成毗邻所述容纳室的第二棱镜，所述第二棱镜定位成它的一个表面毗邻所述第一棱镜的所述一个表面，从而使所述第一和第二两个棱镜之间的压紧成为能在所述开通模式和关闭模式之间工作的所述光开关。
21.如权利要求20所述的设备，其特征在于，它还包括一第一个活塞和一第二个活塞，每一所述活塞可工作地连接于一个对应的第一个或第二可运动反光镜，因而所述可运动的反光镜的运动可使所述活塞运动。
22.一种利用光波的辐射压力产生机械功的方法，所述方法包括下列步骤设置一个用于容纳一光波的传播的容纳室；在所述容纳室的一第一个位置定位一个有一反射表面的可运动的反光镜，以及把光波引入所述容纳室，所述引入步骤包括使被引入的光波射向所述反射表面，从而使光波接触所述反射表面并使辐射压力作用在所述反射表面上。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，它还包括对另一个光波重复进行所述引入步骤的步骤，从而光波对所述第一反射表面的重复接触使辐射压力推动所述第一反射表面沿着一个预定的路径运动。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述定位步骤包括把第二可运动反光镜定位在所述容纳室里的步骤，所述第二反光镜具有一第二反射表面，以及，所述给被引入的光波定向的步骤可使光波重复地接触所述第二反射表面以及使辐射压力重复地作用在所述第二反射表面上，由此实现所述第二反射表面沿着第二个预定的路径的运动。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，它还包括设置一个棱镜并把所述棱镜定位成它的体积构成所述容纳室的一部分以及它的至少一个表面形成所述容纳室的一个边界的步骤，其中，所述引入步骤包括使光波射向所述棱镜而穿过所述一个表面。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤在所述引入步骤之前光学地开通所述棱镜的所述一个表面，使光波穿过所述一个表面进入所述容纳室；以及在所述引入步骤之后关闭所述一个表面，使所述定向步骤致使被反射的光波被所述一个表面重复地反射。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，它还包括设置一第二棱镜并把所述第二棱镜定位成它的一个表面贴近所述第一棱镜的所述一个表面的步骤；以及其中，所述开通所述一个表面的步骤包括把所述第一棱镜的所述一个表面压靠到所述第二棱镜的所述一个表面上，使被压在一起的所述两个表面形成一个透明的界面。
28.如权利要求22所述的方法，其特征在于，它还包括对另一个光波重复地进行所述引入步骤的步骤，从而所述光波对第一个反射表面的重复接触使辐射压力推动所述第一个反射表面沿着一个预定的路径运动。
29.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述定位步骤包括把第二可运动反光镜定位在所述容纳室里的步骤，所述第二反光镜具有一个第二反射表面，以及，所述给被引入的光波定向的步骤可使所述光波重复地接触所述第二反射表面以及使辐射压力重复地作用在所述第二反射表面上，由此实现所述第二反射表面沿着第二个预定的路径的运动。
30.如权利要求24所述的方法，其特征在于，它还包括设置一个棱镜并把所述棱镜定位成它的体积构成所述容纳室的一部分以及它的至少一个表面形成所述容纳室的一个边界，以及，所述引入步骤包括使光波射向所述棱镜而穿过所述一个表面。
31.如权利要求25所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤在所述引入步骤之前光学地开通所述棱镜的所述一个表面，使光波穿过所述一个表面进入所述容纳室；以及在所述引入步骤之后关闭所述一个表面，使所述定向步骤致使被反射的光波被所述一个表面重复地反射。
32.权利要求26所述的方法，其特征在于，它还包括设置第二棱镜并把所述第二棱镜定位成它的一个表面贴近所述第一棱镜的所述一个表面的步骤；以及其中，所述开通所述一个表面的步骤包括把所述第一棱镜的所述一个表面压靠到所述第二棱镜的所述一个表面上，使被压在一起的所述两个表面形成一个透明的界面。
33.一种传输光波的方法包括以下步骤设置一个具有一第一表面的第一透明光学介质；相对于所述第一个光学介质定位具有一第二表面的第二透明光学介质，把所述第一表面和第二表面定位成其间有间隔，从而在所述第一和第二光学介质之间存在第三光学介质，其中，所述第一光学介质的折射率大致等于所述第二光学介质的折射率；把所述第二光学介质压靠到所述第一光学介质上而基本上消除所述第三光学介质。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述第一透明光学介质和所述第二透明光学介质是同一种材料。
35.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述压紧步骤包括对所述第一和第二光学介质之一施加压电效应。
全文摘要
一种利用光波的辐射压力产生机械功的方法。首先，设置一个用于容纳光波在其内传播的容纳室。然后在所述容纳室里定位一个具有一反射表面的可运动的反光镜。然后，把光波引入所述容纳室，并使被引入的光波射向所述反射表面。再使光波接触所述反射表面并使辐射压力作用在其上。这种方法还能够传输或操控光波。用这种方法可获取光波并随后将其增强。例如可在把光波引入容纳室之前通过操作一个光倍增器或光波增强器来分裂光波。
文档编号F03G7/00GK1781040SQ200480011718
公开日2006年5月31日 申请日期2004年3月19日 优先权日2003年3月19日
发明者J·M·克雷 申请人:空间设计股份有限公司