Forskere fokuserer lys med flammer

Hva om den var av ekte flammer?

Hva om den var av ekte flammer?

Linser er over alt i dagliglivet. Vi putter dem inn på øyet for å se bedre, eller henger på nesa hvis vi er litt kule og akademiske. Vi bruker dem når vi ser en DVD eller tar et bilde med mobilen. Nå har en gruppe forskere utviklet den kanskje kuleste linsen noensinne, og neppe en du vil ha i ansiktet eller i lomma: En linse laget 100% av flammer. Kan det fungere – og hva er vitsen?

Å bøye lys

Poenget med en linse er å få lys til å endre retning. Briller og kontaktlinser – og våre egne linser inne i øynene – har som jobb å fokusere lyset vi ser inn på hornhinnen slik at vi ser skarpt. Et forstørrelsesglass tar lys som kommer fra et lite område og sprer det slik at det for øynene våre ser ut som om det kommer fra et større område. De finnes over alt i moderne teknologi der lys inngår.

Linser og speil og sånn. Kjekt å ha.

Linser og speil og sånn. Kjekt å ha.

Prinsippet bak en linse er at lys går med ulik hastighet i ulike stoff. I vakuum går lys alltid med lyshastigheten, men så fort det kommer atomer i veien blir det subtilt bremset ned. Jo tettere det er mellom atomene i et blankt stoff er, jo saktere går lyset – sånn i grove trekk. På fagspråket: Tettere stoff har høyere brytningsindeks.

I tillegg er det slik at når lys endrer hastighet slik så endrer det også retning. Tenk på en pinne som stikkes ned vann. Den ser knekt ut ved overflaten. Grunnen er at lyset som kommer til øynene dine fra den delen av pinnen som er under vann, først har skiftet retning når det gikk gjennom overflaten.

Dette har instrumentmakere, optikere og fysikere visst å utnytte i mange tusen år allerede. Ved å innrette formen på linsen og stoffet den er laget av kan lys flyttes, snus på, fokuseres og defokuseres etter ønske.

Istykkerskutte linser

Kratre i en linse, skutt med en kraftig laser. Her var det gjort med vilje - klikk bildet for artikkel hos wired.com.

Kratre i en linse, skutt med en kraftig laser. Her var det gjort med vilje – klikk bildet for artikkel hos wired.com.

Linser av glass og andre faste stoff har imidlertid ett stort problem. De kan gå i stykker. At de kan mistes i gulvet er opplagt, men de kan også skades av lyset de er laget for å jobbe med. Lyset fra en bordlampe har ikke nok kraft til å skade en glasslinse hvor mye du enn prøver, men med moderne laserstråler går det helt fint. En laserstråle er lys der alle bitene har samme bølgelengde – samme «farge» om du vil – og dessuten svinger i fase. Alle bølgene svinger likt. I tillegg er de gjerne veldig fokuserte, nettopp fordi vi vil bruke laserstrålen til å levere mye energi til et så lite punkt som mulig.

Men hvordan kan vi gjøre det hvis selve linsen blir skutt i stykker av laserlyset? Sagt på en annen måte, hva om laserstrålen leverer flere watt per kvadratmillimeter av linsen enn det glaset klarer å transportere av varme?

Da trenger vi linser av en annen type. Vi trenger en ny idé rett og slett.

Linser av gass

En idé som har vært på tegnebrettet en stund, men som aldri har tatt helt av, har vært å lage linser av gass i steden for glass. Gass kan også ha høyere brytningsindeks enn luften rundt, og lyset brytes i såfall når det kommer inn i gassen akkurat som når det kommer inn i glass. Det er imidlertid ikke så lett å kontrollere tettheten til en gass, men endringer i brytningsindeks kan likevel settes opp ved å kontrollere temperaturen til gassen. Vi får i såfall en såkalt ikke-solid, gradert-indeks-linse – altså en linse som ikke er av solid stoff, og som har en brytningsindeks som varierer innover i linsen i stedenfor å være den samme over alt slik som i glass.

En slik linse har både fordeler og ulemper. En hovedfordel er at den ikke kan bli skutt i stykker slik glass kan. Gassen tåler mye mer trøkk enn glass i utgangspunktet, og hvis man likevel går over terskelen og for eksempel tilfører så mye energi at gassen ødelegges (ved å ionisere atomene i gassen, for eksempel) så flyter det straks ny gass til og reparerer skaden.

En enorm ulempe er derimot at alle gasser man har prøvd har gitt linser som er vanskelige å kontrollere og dessuten med veldig lang fokuslengde. Det vil si at hvis vi bruker linsen til å samle lys inn på ett punkt, slik for eksempel netthinnen vår gjør, så må dette punktet være veldig langt unna. Upraktisk. Såpass upraktisk at optiske gasslinser per i dag ikke har noen store anvendelser.

Flammelinser

Forskernes flammelinser. De to øveste bildene er konsept-tegninger, de to nederste er bilder fra det fatiske eksperimentet.

Forskernes flammelinser. De to øveste bildene er konsept-tegninger, de to nederste er bilder fra det fatiske eksperimentet.

Nå har forskere i Sør-Afrika gjort et stort fremskritt. I steden for å bruke en vanlig gass har de laget en linse av flammer. En flamme er et plasma – en gass der atomene har fått noen av elektronene sine revet løs – og som vi helt tydelig kan se med øynene så har flammer andre optiske egenskaper enn gass. Flammer lyser, de er veldig varme – og de har også en annen brytningsindeks enn luft. Dessuten har de akkurat de samme store fordelene som gass i linser – de tåler mye trøkk før de «går i stykker», og om de først gjør det så reparerer de seg selv før noen rekker å si «au». Og, viser det seg, de har mye kortere fokuslengder.

Linsen forskerne har laget er en kombinasjon av en gasslinse, bestående av et rør noen centimeter langt fullt av glovarm luft, og en flammelinse. Flammelinsen er også et metallrør, med en sprekk der en syltynn framme fra et sveiseaparat føres inn. Denne flammen bøyes langs den indre veggen av røret, og blir til en flammespiral. Fokuseringen av lys foregår i midten av denne flammespiralen.

For å sjekke at linsen fungerer har forskerne gjort både virkelige og numeriske eksperimenter. Den kanskje mest slående resultatet er bildet under, der de viser et bilde av fargede prikker først uten (a) og så med (b) flammelinsen foran. Det er opplagt at linsen fungerer, og dessuten kan realiseres med relativt enkle midler:

ncomms2894-f6

Flammelinser vil være gull verdt for fagfelt der man har behov for ultrasterke laserstråler. De kan også vise seg nyttige i sammenhenger der man ikke kan eller vill sette inn tradisjonelle, faste linser. Med litt utvikling vil de antakelig også kunne bli justerbare i styrke og fokallengde. Slikt avler gjerne ideer til teknologi der man før bare så begrensninger.

…og så må vi ikke glemme det opplagte: Det er en linse 100% av FLAMMER, folkens! Hvor kult er ikke det?

Referanse: Focusing light with a flame lens, M.M. Michaelis et al., Nature Communications 4, doi:10.1038/ncomms2894

5 comments

  1. Undrer · juni 6, 2013

    Et helt grunnleggende spørsmål: «I tillegg er det slik at når lys endrer hastighet slik så endrer det også retning. » Hvorfor det?

    • Bjørn H. Samset · juni 6, 2013

      Hei – enig, det er grunnleggende, men absolutt ikke enkelt å forstå for det. Det var derfor jeg droppet det – jeg holdt på å begynne å skrive meg helt bort om optikk og lysbølger og så videre, men fant ut at da kom innlegget aldri til å komme til saken.

      Den kvasi-enkle forklaringen er at lys kan sees på som en plan bølge som treffer en flate, f.eks. vann. Plan bølge betyr at det kommer jevne, pene bølgefronter inn mot vannflaten. Se denne animasjonen:

      http://www.schoolphysics.co.uk/animations/Plane_wave_refraction/index.html

      Lyset går med ulik hastighet i de to mediene. Siden bølgen treffer skjevt vil det få den delen av bølgetoppen som treffer først til å endre hastighet først, og effekten av det er at det ser ut som om hele bølgen skifter retning.

      Dette er «sånn er det bare»-forklaringen. Vil du ha det grundig må vi ned og se på sannsynlighetstettheter for lysabsorbsjon og -emisjon i atomer, beregnet via kvante-elektrodynamikk. Og det tror jeg ikke jeg behersker godt nok til å forenkle brukbart, selv om jeg har gjort regningen en gang i tiden… Men det finnes altså et skikkelig svar, hvis du bare graver dypt nok 🙂

      Bjørn

  2. Carbomontanus · juni 7, 2013

    Så var det oss da Samset. Nå trodde jeg dere hadde nedlagt butikken.

    Lysets tøven…. er oppdaget av selveste Ole Rømer.

    Å tøve vil si når du skal fra Middelfart tversover Skkjelland til København. Tilsynelatende er det bare strake veien men langs veien ligger det endel kneiper.. som øver en viss tiltrekning og man kan gå helt i surr inni der så man kommer frem først neste kveld, og da heter det at man har «tøvet» langsmed veien.

    Lyset tøver allerede i tynn molekylær materie. Lyshastigheten i bestemt form entall er gammel overtro, Lysets tøven derimot er det opplyst realfaglige begrep som må gjen- innføres.

    Se selv i kikkerten. Saturnus vingler som ei skeiv grammafonplate, det skyldes lysets tøven. Et meget overbevisende forsøk er å sette et tent stearinlys foran en hvit vegg og la solen som praktisk talt er en punktlyskilde skinne på gjennom en heller trang glugge i et vanlig mørkt rom. Man ser en ganske fenomenal schlierenoptikk meget større enn den synlig lysende flammen. Det skyldes lysets tøven allerede i tynn molekylær materie, det ser man helt klart. Og den lysende flammekjernen kaster en nærmest sot- svart eller kull-sort skygge på veggen. Slik gjør man hvitt til sort eller omvendt. Jeg har prøvet med skarp halogenlampe hvor det står 2700K på pakka. Der ser man schlierenfenomenet bare ganske svakt, så sola er altså noe ganske særlig.

    Man smelter kobber Smp 1100 celsius i tuppen på stearinlysflammen, men ikke jern Smp 1500celsius. Da kan vi bedømme.

    Har du acetylen surstoffbrenner så sveiser man med letthet under dagslys ute uten briller og får ikke etterbilder, og det smeltede jern synes gult. Et papir som sola skinner på lyser mer. Men lysbuer og elektrosveis, der må du ha heldekkende maske for man får «sveiseblink» og blir solbrent.

    Flammer er plasma løst i luft. Det finner man helt suverent ved å sette opp en gnist.-induktor og ha flammer i gnistgapet. Man får til meget lengre gnister og lyn gjennom en flamme. Men saltløsninger er plasma løst i vann. Det leder også meget bedre enn AQVA DESTILLATA.

    Og med salt og vann kan man få til ting som ganske riktig ligner på varmeflimmer, man får lyset til å tøve ganske overbevisende.

    Jeg fikk en gang oppgaven å regne ut brytningsvinklene for hvitt lys gjennom et trekantet glassprisme, og fikk en meget forferdelig formel med summa summarum og parenteser under brøkstreken, hvor en av operatorene til min overraskelse var van der Waals R^6. Så det har altså direkte med molekyltettheten og det molare volum og kvadratet av samme, kvadratliteren å gjøre.

    Men videre materialkarakteristisk. Har du resonans og absorpsjonsbånd i materialet såsom i glass som absorberer både i IR og UV men er klart imellom, så kompliserer det saken meget.

    Jeg måtte bruke programmerbar bordcomputer og ta det i flere jafser, så skrekkelig var den formelen. Men det er sånt som Fraunhofer måtte drive med og fant ut av. Han var ung verksmester på et glassverk som fremstilte linseglass for acromatiske linser, der man må vite å componere glassmaterialet for å få det til å bryte riktig med hensyn på spekteret.
    Og til referanse var han selv- lært og kjente Huyghens`prinsipp og diamant- graverte et gitter og fikk målt lysbølgelengden for gule natriumflammer. Hvilket gjorde ham berømt.

    Så har vi berømte pussige fenomener med helt ulik farve i gjennomfallende og diffust reflektert lys. Chlorophyll i spritløsning er et berømt eksempel og et annet er Chrom- oxalat- komplex. Begge rare stoffer viser seg å ha et bredt absorpsjonsbånd midt i det synlige spektrum og passasje på sidene.

    I de væskene tøver lyset på ganske imponerende måte.

  3. Alphonse · august 17, 2013

    Ville en holografisk linse som svever i luften kunne ha de samme egenskapene som en mer fysisk linse?

    • Bjørn H. Samset · august 17, 2013

      Nei – ihvertfall ikke uten litt mer fiksfakseri. Men det er en god tanke 🙂 For at noe skal fungere som en linse må lys som flyr gjennom det oppleve at brytningsindeksen endres. I flammelinsen er det temperaturen til luften som endres, og dermed brytningsindeksen. I et hologram er det bare snakk om et bilde som lyser på en bestemt måte slik at det blir seende 3D ut. Brytningsindeksen til luften der bildet «henger» er fortsatt den samme. Men som sagt, det er jo mulig at det går an å gjøre noe mer fancy som jeg ikke kommer på sånn helt umiddelbart…

      Bjørn

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s