從科幻到現實：雷射動力帆正改變太空旅行的未來

加州理工學院的科學家們正在研發雷射驅動的光帆，這種光帆有望推動太空船飛出太陽系。他們的研究重點在於瞭解超薄材料對輻射壓力的反應，這是建立穩定、高速太空探測器的關鍵一步。

利用超薄光帆進行星際旅行的想法或許聽起來像科幻小說情節，但這確實是科學家們正在探索的真實概念。2016年，物理學家斯蒂芬·霍金和企業家尤里·米爾納啟動了「突破攝星」計劃，該計劃旨在研究雷射動力光帆如何以極高速度推動微小的太空探測器。最終目標是將這些探測器送往離我們最近的恆星系統——半人馬座阿爾法星。

加州理工學院在這項雄心勃勃的努力中處於領先地位，引領著全球研究團隊，致力於將光帆技術變為現實。加州理工學院工程與應用科學部門的奧蒂斯·布斯領導主席、應用物理學和材料科學的霍華德·休斯教授哈里·阿特沃特解釋道：「光帆的飛行速度將超過以往任何太空船，最終有可能開啟星際距離的直接太空探測，而目前我們只能透過遙測觀測這些區域。」

如今，阿特沃特和他在加州理工學院的同事們開發了一個平臺，用於研究有朝一日可能用於製造這些光帆的超薄薄膜。他們的測試平臺包括一種測量雷射施加在光帆上的力的方法，這種力將用於推動太空船在太空中高速飛行。該團隊的實驗標誌著從光帆的理論提案和設計邁向對關鍵概念和潛在材料的實際觀測和測量的第一步。

阿特沃特表示，研發最終可用作光帆的薄膜面臨著眾多挑戰。它需要能夠承受高溫，在壓力下保持形狀，並能沿著雷射光束的軸線穩定航行。「但在我們開始建造這樣的光帆之前，我們需要了解材料對雷射輻射壓力的反應。我們想知道是否可以透過測量薄膜的運動來確定施加在它上面的力。事實證明，我們可以做到。」

一篇描述這項工作的論文於1月30日發表在《自然·光子學》期刊上。論文的主要作者是加州理工學院應用物理學博士後學者利奧爾·米凱利和應用物理學研究生雷蒙·高（2021年碩士畢業）。

目標是研究自由移動光帆的行為。但作為第一步，為了在實驗室中開始研究材料和推進力，該團隊製作了一個微型光帆，它的四角固定在一個更大的薄膜內。

研究人員利用加州理工學院卡夫利奈米科學研究所的裝置和一種稱為電子束光刻的技術，精心製作了一層僅50奈米厚的氮化矽薄膜，創造出一種看起來像微型彈簧床的東西。這個微型彈簧床是一個40微米見方的正方形，四角由氮化矽彈簧懸掛著。然後，團隊用可見波長的氬雷射照射薄膜。目標是透過測量彈簧床上下運動來測量微型光帆所受到的輻射壓力。

共同主要作者米凱利表示，從物理學角度來看，當光帆被固定時情況就不同了。「在這種情況下，動力學變得相當複雜。光帆就像一個機械諧振器，被光照射時會像彈簧床一樣振動。一個關鍵挑戰是，這些振動主要是由雷射光束產生的熱量驅動的，這可能會掩蓋輻射壓力的直接影響。」米凱利說，團隊將這一挑戰轉化為優勢。「我們不僅避免了不必要的加熱效應，還利用我們對裝置行為的瞭解，創造了一種測量光力的新方法。」

這種新方法還讓該裝置充當功率計，用於測量雷射光束的力和功率。共同主要作者高表示：「這個裝置代表著一個小型光帆，但我們工作的很大一部分是設計並實現一種方案，以精確測量由遠端光力引起的運動。」

為此，團隊建造了所謂的共光路干涉儀。一般來說，運動可以透過兩束雷射的干涉來檢測，其中一束照射振動樣品，另一束跟蹤固定位置。然而，在共光路干涉儀中，由於兩束光的傳播路徑幾乎相同，它們遇到的環境噪聲源相同，如附近裝置的執行甚至人們的談話，這些訊號都會被消除。剩下的只是樣品運動產生的非常微弱的訊號。

工程師們將干涉儀整合到用於研究微型光帆的顯微鏡中，並將裝置放置在一個定製的真空室內。然後，他們能夠測量光帆小至皮米（萬億分之一米）的運動以及它的機械剛度，即當光帆受到雷射輻射壓力推動時彈簧的形變程度。

由於研究人員知道太空中的光帆不會總是與地球上的雷射源保持垂直，他們隨後將雷射光束傾斜以模擬這種情況，並再次測量雷射推動微型光帆的力。重要的是，研究人員透過將結果與裝置本身測量的雷射功率進行校準，考慮到了雷射光束以一定角度擴散並因此在某些區域錯過樣品的情況。然而，在這些情況下的力比預期的要小。研究人員在論文中假設，當光束以一定角度照射時，一部分會撞到光帆的邊緣，導致一部分光被散射到其他方向。

展望未來，該團隊希望利用奈米科學和超材料（在微小尺度上精心設計以具有理想特性的材料）來幫助控制微型光帆的左右運動和旋轉。高表示：「目標是看看我們是否可以利用這些奈米結構表面，例如，為光帆施加恢復力或扭矩。如果光帆移出或旋轉出雷射光束，我們希望它能自行移回或轉回。」

研究人員指出，他們可以使用論文中描述的平臺測量左右運動和旋轉。高說：「這是觀察旨在讓自由加速的光帆跟隨雷射光束的光力和扭矩的重要一步。」

參考文獻：利奧爾·米凱利、雷蒙·高、邁克爾·D·凱爾岑伯格、克勞迪奧·U·海爾、阿德里安·梅爾克、約翰·E·薩德和哈里·A·阿特沃特的《光帆薄膜的直接輻射壓力測量》，2025年1月30日，《自然·光子學》。DOI: 10.1038/s41566 - 024 - 01605 - w

除了阿特沃特、米凱利和高之外，論文的其他加州理工學院作者還包括高階研究科學家邁克爾·D·凱爾岑伯格（2010年博士）、前博士後學者克勞迪奧·U·海爾和研究教授約翰·E·薩德。阿德里安·梅爾克也是論文作者之一，他參與該專案時是瑞士聯邦理工學院的研究生。這項工作得到了美國空軍科學研究辦公室和「突破攝星」計劃的支援。