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
发明内容
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(opticswitch)，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。
图I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IA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不;图IB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。
具体实施例方式图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 switch injection 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不为能量
Up=—
C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。
2Up =——
C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O。F0_z = pA+pA+p人+ +PzAm每一次福射压力反弹(radiation pressure bounce)前后之间的关系可表示为表面反射率P的函数。P2 = P P1, P3 = P P2, P4 = P P3, , Pz = P Pz-I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+ e P1Am+ e 2P1A111+- + e zPA1
Fo-z.,s =^en PlAm
n 0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。—z，单个平面镜=P1Am+ P 4P1Am+ P 8P1Am+. + P 4z74P1Am或
z/4
Po-r单个平面镜 =Ep4m PlAnn 0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，SP
权利要求
1.一种由光束产生较高功率输出的方法，所述方法包括 提供第一级棱镜，所述第一级棱镜包括具有第一折射率的第一透明光学介质，所述第一级棱镜包括多个内表面； 通过将初始光束引导到与所述第一级棱镜相连通的光扩展器/收缩器装置的给定的面中来产生经处理的光束，所述光扩展器/收缩器装置扩展从一个方向进入第一级棱镜的光束，并收缩从另一个方向进入第一级棱镜的光束，以生成射出光束； 将来自所述第一级棱镜的一个内表面的所述射出光束反射到所述第一级棱镜的下一个内表面上，直到射出光束与所述初始光束相同的方向相平行但在不同的面处再次进入光扩展器/收缩器装置，由此在第一级棱镜中反复地旋转射出光束并产生经处理的光束，该经处理的光束具有比初始光束要高的功率输出； 选择性地操作光学开关，控制经处理的光束在第一级棱镜和容纳室之间的传输；以及 在所述容纳室内容纳经处理的光束并沿预定的反射光路反复地传播所述经处理的光束，所述预定的反射光路包括一个或多个反射面；以及 将所述较高的功率输出传输给与所述一个或多个反射表面相连通的能量系统。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，选择性地操作光学开关包括将所述光学开关从开通模式改变到关闭模式。
3.如权利要求I或2所述的方法，其特征在于，选择性地操作光学开关包括将所述光学开关从关闭模式改变到开通模式。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，包括提供第二级棱镜，所述第二级棱镜包括具有第二反射率的第二透明光学介质，所述光学开关包括所述第一级棱镜的第一级背面，所述第一级棱镜的所述第一级背面与所述第二级棱镜的第二级背面相对。
5.如权利要求1-3或4所述的方法，其特征在于，选择性地操作光学开关包括相对于所述第一级棱镜的所述第一级背面压紧所述第二级棱镜的所述第二级背面，以在它们之间形成透明的界面。
6.如权利要求1-4或5所述的方法，其特征在于，选择性地操作光学开关包括释放相对于所述第一级棱镜的所述第一级背面对所述第二级棱镜的所述第二级背面的压紧。
7.如权利要求1-5或6所述的方法，其特征在于，还包括将所述经处理的光束经所述透明的界面而传输，由此将所述经处理的光束分成多个经处理的光束，所述多个经处理的光束具有比所述经处理的光束高的功率输出。
8.如权利要求4-6或7所述的方法，其特征在于，所述预定的反射光路从所述第二级背面经所述第二级棱镜的初始侧面延伸到在所述第二级棱镜的外部的初始对应反射面，经所述第二级棱镜的所述初始侧面返回到所述第二级背面，经所述第二级棱镜的后续侧面到在所述第二级棱镜的外部的后续对应反射面，经所述后续侧面返回到所述第二级背面，所述后续侧面选自所述初始侧面和不同的侧面所组成的组。
9.如权利要求6-7或8所述的方法，其特征在于，释放相对于所述第一级棱镜的所述第一级背面对所述第二级背面的压紧使所述多个经处理的光束从所述容纳室的传输最小化。
10.如权利要求1-8或9所述的方法，其特征在于， 倒转最大地扩展的光束的方向，所述光扩展器/收缩器装置自身对光束扩展、反射、收缩以及转向，并产生经完全处理的光束；以及选择性地操作光学开关以在第一级棱镜和容纳室之间传输经处理的光束，由此生成多个经完全处理的光束，所述多个经完全处理的光束包括比所述经完全处理的光束要高的功率输出； 在容纳室中容纳经完全处理的光束并沿预定的反射光路反复传播所述多个经完全处理的光束，产生增强的功率输出； 将增强的功率输出传输给能量系统。
11.如权利要求1-9或10所述的方法，其特征在于， 使用一个或多个聚光镜收集并聚集光，以产生聚集的光； 将所述聚集的光传输给所述第一级棱镜； 将所述聚集的光引导到与所述第一级棱镜相连通的所述光扩展器/收缩器装置中，产生经处理的聚集光束； 选择性地操作所述光学开关以在所述第一级棱镜和所述容纳室之间传输所述经处理的聚集光束； 在所述容纳室中容纳所述经处理的聚集光束并沿所述预定的反射光路反复传播所述经处理的聚集光束。
12.如权利要求1-10或11所述的方法，其特征在于， 将附加的光束引导到所述光扩展器/收缩器装置中，由此由自身对所述附加的光束进行扩展、反射、收缩以及转向，产生附加的经处理光束； 选择性地操作所述光学开关，以在所述第一级棱镜和所述容纳室之间传输所述附加的经处理光束；以及 在所述容纳室中容纳所述附加的经处理光束并沿所述预定的反射光路反复传播所述附加的经处理光束，从而反复地向能量系统传输进一步增强的功率输出。
13.如权利要求1-11或12所述的方法，其特征在于，所述能量系统是能量储存装置。
14.如权利要求1-12或13所述的方法，其特征在于，所述能量系统产生机械功。
15.如权利要求1-13或14所述的方法，其特征在于，所述能量系统是曲柄轴组件，而传输给所述能量系统的功率输出使所述曲柄轴组件往复运动。
16.如权利要求1-14或15所述的方法，其特征在于，所述能量系统是弹簧装置。
17.如权利要求1-15或16所述的方法，其特征在于，还包括在包括有多个容纳室的多个气缸中基本上同时地进行所述方法。
18.—种光子发动机,包括 第一级棱镜，所述第一级棱镜与一个或多个光束进口相连通，并包括多个内表面，所述多个内表面包括第一级背面，所述第一级棱镜包括具有第一折射率的抛光晶体石英； 光扩展器/收缩器装置，所述光扩展器/收缩器装置与所述一个或多个光束进口相连通，所述光扩展器/收缩器装置包括适于通过扩展从一个方向进入的光束的直径以及收缩从一个相反方向进入的光束的直径来生成经处理的光束的面； 光学开关，所述光学开关与所述第一级棱镜和容纳室相连通，所述容纳室包括预定的反射光路，所述反射光路包括与能量系统相连通的一个或多个反射面。
19.如权利要求18所述的光子发动机，其特征在于，所述光学开关可操作地与压电致动器相连，所述压电致动器适于选择性地在开通模式和关闭模式之间操作所述光学开关。
20.如权利要求18或19所述的光子发动机，其特征在于，所述容纳室限定预定的反射光路，所述预定的反射光路包括所述一个或多个反射面。
21.如权利要求18-19或20所述的光子发动机，其特征在于，所述光学开关适于将所述经处理的光束多次分离，以产生多个经处理的光束，所述多个经处理的光束包括比所述经处理的光束高的功率输出。
22.如权利要求18-20或21所述的光子发动机，其特征在于， 所述容纳室包括第二级棱镜，所述第二级棱镜包括具有第二折射率的第二透明光学介质，所述第二级棱镜包括第二级背面以及一个或多个侧面；以及 所述压电致动器适于相对于所述第一级棱镜的所述第一级背面压紧所述第二级棱镜的所述第二级背面或者释放压紧。
23.如权利要求18-21或22所述的光子发动机，其特征在于，所述预定的反射光路从所述第二级棱镜的所述第二级背面经所述第二级棱镜的初始侧面延伸到在所述第二级棱镜的外部的初始对应反射面，经所述初始侧面返回到所述第二级背面，经所述第二级棱镜的后续侧面到在所述第二级棱镜的外部的后续对应反射面，经所述后续侧面返回到所述第二级背面，所述后续侧面选自所述初始侧面和不同的侧面所组成的组。
24.如权利要求18-22或23所述的光子发动机，其特征在于，所述光扩展器/收缩器装置还适于倒转最大地扩展的光束的方向。
25.如权利要求18-23或24所述的光子发动机，其特征在于，所述能量系统是能量储存 装直。
26.如权利要求18-24或25所述的光子发动机，其特征在于，所述光扩展器/收缩器装置是有多个面的石英块。
27.如权利要求26所述的光子发动机，其特征在于，所述有多个面的石英块包括圆锥形表面，所述圆锥形表面包括一个中心面和延伸到一个外部同心面的若干同心面。
28.如权利要求27所述的光子发动机，其特征在于，还包括与所述外部同心面相邻的外部同心反光镜，所述外部同心反光镜适于倒转最大地扩展的光束的方向。
29.如权利要求18-27或28所述的光子发动机，其特征在于， 所述容纳室包括 所述初始侧面和初始对应反射面； 不同的侧面和不同的对应反射面； 以及 所述预定的反射光路反复地从所述第二级背面经所述初始侧面延伸到所述初始对应反射面，经所述初始侧面反悔到所述第二级背面，经所述不同的侧面到在所述第二级棱镜外部的所述不同的对应反射面；近所述不同的侧面返回到所述第二级背面。
30.如权利要求23-28或29所述的光子发动机，其特征在于，所述预定的反射光路与所述初始侧面大致成直角地延伸，并延伸到所述后续的侧面。
31.如权利要求18-29或30所述的光子发动机，其特征在于， 所述第一级棱镜与包括一个或多个反射面的一个或多个聚光镜相连通，所述一个或多个反射面适于收集和聚集光并将所聚集的光传输给所述第一级棱镜；以及 所述容纳室适于容纳沿所述预定的反射光路对所述经处理的聚集光束进行的传播。
32.如权利要求18-30或31所述的光子发动机，其特征在于， 所述光学开关适于将所聚集的光分离多次，产生多个经处理的聚集光束，所述多个经处理的聚集光束包括比所聚集的光要高的功率输出；以及 所述容纳室适于容纳沿所述预定的反射光路对所述多个经处理的聚集光束进行的传播。
33.如权利要求18-31或32所述的光子发动机，其特征在于，所述能量系统是能量储存装置。
34.如权利要求18-32或33所述的光子发动机，其特征在于，所述能量系统是活塞和曲 柄轴组件。
35.如权利要求18-33或34所述的光子发动机，其特征在于，所述能量系统是弹簧装置。
36.如权利要求22-34或35所述的光子发动机，其特征在于， 所述第一折射率大于I. 45 ;以及 所述第二折射率大于1.45。
37.如权利要求18-35或36所述的光子发动机，其特征在于，包括多个气缸。
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(102)。然后在所述容纳室里定位一个具有一反射表面(112)的可运动的反光镜(112)。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F03G7/00GK102736245SQ20121012041
公开日2012年10月17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