Un grupo internacional de investigadores ha medido cuánto tira un rayo láser sobre el agua a través de la cual brilla.

Dado que la luz constituye un fenómeno de onda electromagnética, se sabe que un rayo láser que brilla a través del agua interactúa con ella a través de un proceso denominado electroestricción, lo que implica que el agua se comprime hacia el eje del rayo láser. Este fenómeno es similar a apretar un tubo de pasta de dientes; la pasta se empuja hacia adentro, lo que también la mueve a lo largo del tubo, forzando a que salga un poco de pasta de dientes.

Ahora, un equipo internacional de investigadores ha medido la densidad de fuerza ejercida por la luz láser dentro de una columna de agua cuando la atraviesa. "Esta es la primera vez que se mide la densidad de fuerza ejercida por la luz dentro de la materia; los experimentos anteriores solo midieron las fuerzas en la interfaz de diferentes materiales, o las fuerzas netas ejercidas sobre partículas pequeñas", dice Nelson Astrath de la Universidade Estadual de Maringá.

La misma analogía ayuda a explicar cómo los investigadores lograron medir la diminuta fuerza ejercida por la luz. Al cerrar los extremos del tubo lleno de agua con placas de vidrio, vuelven a colocar la tapa en el tubo de pasta de dientes. "De esta manera, la compresión transitoria ya no podría obligar al agua a salir a lo largo del camino del láser, lo que hace que las ondas elásticas generadas por electroestricción que se alejan del rayo láser sean el efecto dominante", dice Tomaž Požar de la Universidad de Ljubljana. Después de medir las propiedades de esa onda, los investigadores pudieron calcular las fuerzas involucradas.

Ondas elásticas atrapadas entre las paredes de las cubetas

Los experimentos, que se llevaron a cabo en Brasil, tuvieron que controlar otras interacciones que podrían anular este efecto. "Por ejemplo, los láseres también calientan una pequeña cantidad de agua por un breve momento, lo que hace que se expanda", dijeron Mauro Baesso y Gabriel Flizikowski de la Universidade Estadual de Maringá. Para evitar esto, el equipo tuvo que usar agua ultrapura, sin nada que pudiera calentarse al absorber más energía electromagnética que el agua pura. La longitud de onda del láser también se controló cuidadosamente para minimizar la absorción.

"La electroestricción implica que los átomos se agrupen más cerca unos de otros, aumentando la densidad. Esta constricción es lo opuesto a la expansión térmica que normalmente sigue a la absorción electromagnética a temperatura ambiente. Debido a esto, la compresión solo se puede medir en materiales que tienen muy poca energía electromagnética. absorción", dice Mikko Partanen de la Universidad Aalto.

"Las fuerzas ópticas de volumen y de contorno en el líquido se pueden observar en la señal óptica contorneada debido a la distribución de presión espaciotemporal resultante. La perturbación de la presión está relacionada con la compresibilidad, lo que significa la fuerza de electroestricción de Helmholtz. Esta fuerza ha sido históricamente difícil de medir y modelar con precisión. ”, dice Iver Brevik de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología. "También podemos distinguir entre los efectos Kerr térmicos y no lineales inducidos por radiación, por lo que consideramos que estos hallazgos son una contribución importante a los experimentos de perturbación de presión inducida por la luz en fluidos dieléctricos", dice Daniel Razansky de la Universidad de Zúrich y ETH Zúrich. .

"El experimento es un avance significativo en la formulación de una teoría de fuerza óptica exacta dependiente del tiempo y la posición, que se verifica teórica y experimentalmente de manera inequívoca. En particular, el experimento verifica cuantitativamente el componente axial de la densidad de fuerza óptica para un haz óptico. Lo que aún queda por experimentar es la medición del componente de fuerza longitudinal ", dice Stephen Bialkowski de la Universidad Estatal de Utah.

Además de los experimentos, los investigadores produjeron un modelo teórico para explicar sus resultados. "Se necesita más trabajo para comprender adecuadamente los diferentes aspectos del modelo desde el punto de vista de la teoría especial de la relatividad", agregaron Bruno Anghinoni y Luis Malacarne.

El estudio amplía los hallazgos del ganador del Premio Nobel Arthur Ashkin, que utilizó para desarrollar pinzas ópticas para manipular partículas diminutas de materia con luz. "La nueva investigación promueve nuestra comprensión de cómo un campo óptico producido por las pinzas afecta la materia deformable que se manipula", agregaron Nelson Astrath y Tomaž Požar.

"La investigación podría emplearse en biología o medicina, entre otras aplicaciones potenciales. Si la electroestricción óptica puede usarse para controlar las propiedades mecánicas de la materia, podría utilizarse potencialmente en sistemas microelectromecánicos ópticos", dice Jukka Tulkki de la Universidad Aalto.

El estudio, "Revelación de las fuerzas de radiación a granel y superficiales en un líquido dieléctrico", se ha publicado en Light:Science &Applications . + Explora más

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