CN101568985A - 用于传递光波所提供的辐射压的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在本发明的一方面，提供了用于传递由光波提供的辐射压的方法。该方法使得必须定位具有近全反射表面的反射棱镜(606、607)，其包括初始透明表面(614A、614B)和各自相对于该初始透明表面有角度地定位的一对反射表面(612)。随后，朝着该反射棱镜引导光波，以使得该光波与透明表面大致呈法线并穿过该透明表面。该光波进一步从第一反射表面并随后从第二反射表面反射并通过该透明表面离开棱镜。这样，由反射光波所传递的辐射压作用于该棱镜。

Description

用于传递光波所提供的辐射压的方法和装置

发明背景

本申请要求于2006年7月26日提交(现待决)的美国临时申请S/N.60/833,336的申请日权益。以上申请通用地通过援引纳入于此并构成本公开的一部分。

本发明一般涉及用于利用电磁光波中存在的能量的方法和装置。具体而言，本发明涉及利用光波中的辐射压。本发明还涉及用于传递或以其他方式操纵光波和/或传递光波所提供的辐射压的方法和装置。

发明简要概述

在本发明的一方面，提供了用于传递由光波提供的辐射压的方法。该方法使得必须定位具有近全反射表面的反射棱镜，该反射棱镜包括初始透明表面和各自相对于该初始透明表面有角度地定位的一对反射表面。随后，朝着该反射棱镜引导光波，以使得该光波与透明表面大致呈法线并穿过该透明表面。该光波进一步从第一反射表面并随后从第二反射表面反射并通过该透明表面离开棱镜。这样，由反射光波所传递的辐射压作用于该棱镜。

在另一方面，提供了用于传递由光波提供的辐射压的装置。该装置包括配置成包含光波的传播的容纳腔室以及可选择性地在打开模式和关闭模式下操作的光学开关。在打开模式下，该光学开关允许光波进入容纳腔室，而在关闭模式下，该光学开关阻止光波从容纳腔室逃逸。该装置进一步包括定位在容纳腔室的一端的反射镜面。该反射镜面具有近全反射表面。该光学开关和反射镜面被定位成使得光学开关可操作以在反射镜面的方向上将光波引入容纳腔室中，并使得光波从近全反射表面上反射以导致辐射压作用于反射镜面。

在另一方面，提供了用于传递由光波提供的辐射压的装置。该装置包括具有近全反射表面(NTRS)的反射棱镜，该反射棱镜是具有透明表面和一对反射表面的石英棱镜。该装置还包括光波源，其定位成在反射棱镜的方向上并与透明表面大致呈法线地引导光波，以使得光波穿过透明表面并从这些反射表面反射，从而导致由光波传递的辐射压作用于该NTRS。

在本发明的另一方面，提供了用于传递和/或以其他方式操纵光波的方法和装置。在本发明的另一方面，提供了用于藉由和/或通过界面来传递光波的方法和装置。更具体而言，本发明提供在打开和关闭(或即透明或反射状态或模式)之间操作(即，切换)该界面的方法和装置。优选地，该切换操作使得必须操纵该界面的总折射率。在优选模式中，该方法涉及借助于压缩来消除该边界界面。

对于本领域技术人员而言，本发明的这些和其他特征及优点从以下优选实施例的详细描述和附图将变得明显。

附图简要描述

图1A和1B是诸如光子引擎之类的用于利用与光波相关联的辐射压的装置的简化示意图和例示说明；

图2是适合与图1的装置一起使用的活塞组装件的简化示意图；

图3是替换光子引擎的简化示意图；

图4a和4b是可以联合光子引擎使用的棱镜的例示说明；

图5是又一种装置的简化示意图；以及

图6a是图解替换装置和操作该装置的方法的简化平面示意图；

图6b是图6a中的装置的侧视图；

图7A-7H是引擎的各种组件的操作和结构和/或引擎的阶段的简化例示说明；

图8是引擎的主要阶段/组件以及引擎操作的简化例示说明；

图9是光倍增器的简化图；

图10是由光倍增器生成的增强光束的例示说明；

图11是光开关的各种模式或阶段的例示说明；

图12是图解光开关的性能的图表；

图13A是根据替换实施例的可移动棱镜的平面视图；

图13B是横跨图13A的横截面视图；

图14A是图解棱镜的表面与光束间的交互的可移动棱镜的示图；

图14B是代表性能包传播通过的参与介质的例示说明；

图15是示例性时间射线跟踪连续统图的例示说明；

图16是示例性时间射线跟踪平面图的例示说明；

图17是参与介质区域的示例性控制体积表示的例示说明。

图18A是示例性光子引擎和其射线路径的例示说明；

图19是替换示例性光子引擎和其射线路径的例示说明；

图20A-C是用于图19的引擎的替换光开关的简化例示说明。

发明详细描述

本申请涉及美国申请S/N.10/836,774和国际申请No.：PCT/US2004/008495，其公开通用地通过援引纳入于此。本文中在详细描述中提供这些公开的实质性部分以用作本发明的各方面的背景和上下文。

提供图1-7来图解在本发明之前的装置和/或方法。介绍图8-20来图解根据本发明的装置和方法。本发明的各方面体现在这些附图中。

本发明一般涉及利用光波固有的或可从其获得的辐射压。此辐射压的源由光源提供，或更具体而言，是通过将源自光源的电磁波传播到本发明的装置中或使其在本装置内传播来提供的。本发明一般还涉及用于传递或以其他方式操纵这样的光波的方法和装置。本发明的光引擎的操作使得必须采用本发明的这方面。一般而言，通过至少一个在开关模式下起作用的可操作棱镜来将电磁波引导到容纳腔室中。在优选实施例中，使用主棱镜和辅棱镜，并且它们一起操作以提供光开关注入阀，其或者反射进入第一棱镜的光或者使光通过进入容纳腔室。

光开关的操作(以下关于图1-7进行讨论)基于其中两个单独介质(即棱镜)可以沿着界面被压缩从而组合后的介质起一个介质的作用的光学现象。首先，以预定角度将光引入主棱镜中。在光开关处于关闭或即非操作模式中的情况下，光从主棱镜的背面或背壁反射。为了打开该开关并将其置于操作模式中，通过外部驱动设备的操作来朝着彼此压缩主棱镜和辅棱镜——即第一和第二单独介质(或更具体而言，辅棱镜对着或朝着主棱镜压缩)。通过这样做，移除了这两个棱镜之间的边界——即公共面，并且这两个介质作为一个介质起作用。典型的，此边界可以是由折射率与棱镜材料不同的气隙或真空(在关闭模式中)形成或提供的。被引导到第一棱镜中的光因此穿过与第二棱镜的边界，通过第二棱镜并进入容纳腔室。进一步有利的是以预定角度将光引导到主棱镜中，从而该光进入容纳腔室并随后在容纳腔室内以与可移动地搭载在该腔室内的反射镜面呈法线的角度传播。

在光被包含在容纳腔室中的情况下，关闭光开关。由此，容纳腔室中的光波或光维持列柱式并持续地在其中传播。更确切而言，所包含的光以法线角度从第一反射镜面反射，随后以几乎45°角或其他预定角度对着辅棱镜的面，并随后也以法线角度从第二镜面反射。这三次反射构成了一个在公知的预定时间帧内重复的全循环。时间帧还优选地对应于光开关在打开和关闭模式之间的工作频率的1/2。在每一循环期间，光以高速率在这三个反射表面之间循环，使得辐射压被传递到或穿过这两个镜面，从而将光波的能量转换成或变换成机械功，即镜面的移动。在优选实施例中，将镜面可操作地连接至活塞并包含在圆筒组装件中(该圆筒并不吸收光)从而作为引擎来工作。

为便于本发明的描述，首先提供对某些概念的简要解释。

作为本发明性方法的主题的光波是电磁波。电磁波传送线性动量，从而使得通过在表面上进行光照就能对该表面施加机械压力。应理解此压力对于个别光子而言是较小的。但在有充分数目的光子的情况下，就可以获得显著的机械压力。

麦克斯韦(Maxwell(J.C.))揭示了全部被吸收的平行光束的结果所得动量p是能量U除以光速c。

$\left(1\right),p=\frac{U}{c}$

如果光束全部被反射，则与反射呈垂直入射的结果所得动量是全部吸收值的两倍。

$\left(2\right),p=\frac{2U}{c}$

这些示例代表动量转移谱的两端。在一端，全部吸收的光束演示了其中微粒粘在一起并且失去最多动能——典型地成为诸如热能或变形等另一种形式的能量——的完全非弹性情形。在该谱的另一端，全部反射的光束演示了其中动能被保存的完全弹性碰撞。

参考图2，以下各部分提供对根据本发明的装置和方法(即，引擎)所产生的功率的计算。可以将这些计算划分成4部分：力(F)、时间(T)、功(W)、和功率(P)。

麦克斯韦方程[2]揭示了以与入射呈垂直的角度被全反射的平行光束的结果所得动量p是能量U的两倍除以光速c。

$\left(3\right),p=\frac{2U}{c}$

通过将光束从其初始长度l_i压缩到压缩长度l_c就可以倍增此压力。倍增光束在时间0(零)时进入光子引擎容纳腔室的初始辐射压为p_o，这是通过下式得出的。

$\left(4\right),p_0=\frac{l_{i}p}{l_c}$

辐射压的改变可以通过反射率(包括从参与介质的吸收)、可移动反射表面所导致的红移、以及通过光开关的透射来描述。

$\left(5\right),p_1={\mathrm{\ρ}}_m{\mathrm{\τ}}_s{p}_0\frac{c-v_1}{c}$

将以上等式推广到任意时间n，通过下式就得出对于反弹n次的辐射压p_n。

$\left(6\right),p_n={{\mathrm{\ρ}}_m}^n{{\mathrm{\τ}}_s}^n{p}_0(\left(\frac{c-v_{n-1}}{c}\right)!)$

光束入射到镜面上的时间是红移的函数。在每次红移之后，光束长度增大，其增大入射时间。

$\left(7\right),l_1=l_0+v_0{t}_0\⇒t_1=t_0\frac{c}{c-v_0}$

将上式推广到任意时间n，则入射时间由下式示出。

$\left(8\right),t_n=t_0(\left(\frac{c}{c-v_{n-1}}\right)!)$

活塞头在任意时间n的速率增加Δv_n通过下式来计算。

$\left(9\right),{\mathrm{\Δv}}_n=\frac{{\mathrm{\ρ}}_n{\mathrm{\τ}}_n{p}_{n-1}{A}_m}{m}{t}_{n-1}$

在时间z时的速率v_z通过在时间0到z上求和v来计算。

$\left(10\right),v_z=\underset{n=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{v}_n+v_0=\underset{n=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\ρ}}_m{\mathrm{\τ}}_s{p}_{n-1}{A}_m}{m}{t}_{n-1}+v_0$

$\left(11\right),v_z=\frac{{\mathrm{\ρ}}_m{\mathrm{\τ}}_s{A}_m}{m}\underset{n=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{n-1}{t}_{n-1}+v_0$

$\left(12\right),v_z=\frac{{\mathrm{\ρ}}_m{\mathrm{\τ}}_s{A}_m}{m}\underset{n=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ρ}}_m}^n{{\mathrm{\τ}}_s}^n{p}_0(\left(\frac{c-v_{n-1}}{c}\right)!)t_0(\left(\frac{c}{c-v_{n-1}}\right)!)+v_0$

$\left(13\right),v_z=\frac{{\mathrm{\ρ}}_m{\mathrm{\τ}}_s{A}_m}{m}{p}_0{t}_0\underset{n=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ρ}}_m}^n{{\mathrm{\τ}}_s}^n+v_0$

光子引擎所产生的功W通过下式来计算。

$\left(14\right),W=\frac{1}{2}m({v_z}^2-{v_0}^2)$

$\left(15\right),W=\frac{1}{2}m({(\frac{\mathrm{\ρ}{A}_m}{m}{p}_0{t}_0\underset{n=1}{\overset{z}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\ρ}}_m}^n{{\mathrm{\τ}}_s}^n+v_0)}^2-{v_0}^2)$

可以使用幂级数解来重写该总和。结果是简短形式的功控方程。

$\left(16\right),W=\frac{1}{2}m({(\frac{p_0{A}_m{t}_0}{m}\left(\frac{1-{\left({\mathrm{\ρ}}_m{\mathrm{\τ}}_s\right)}^z}{1-{\mathrm{\ρ}}_m{\mathrm{\τ}}_s}\right)+v_0)}^2-{v_0}^2)$

现在转到图1-7，这些图示出根据本发明的装置的若干实施例。具体而言，图1、3、5、和7中的每一者描绘根据本发明的示例性光子引擎以及也根据本发明的用于与其一起使用的各种设备。这些图还描绘根据本发明的用于传递或以其他方式操纵光波的设备。这些发明性设备之一是压缩边界光开关。这些设备中的另一个是能够倍增或分裂引入其中的光波(即，在引入容纳腔室之前)以增加其强度的主棱镜。

图1是其中每一者皆是根据本发明的、操纵或以其他方式传递光或光波和/或利用辐射压来产生机械功的系统和/或装置100的简化示意图。具体而言，装置100是利用引入该装置或由该装置操纵的光波所提供的辐射的光子引擎100。发明性光子引擎100优选包括用于接收光波的主棱镜106、可操作地并整体地与主棱镜106相关联的辅棱镜107、以及容纳腔室102(如图1中的虚线所示的)。主棱镜106和辅棱镜108如此坐落以使得面对面(或壁对壁)邻接并且形成压缩边界界面114。如以上简略讨论的，界面114在一种模式中实际上可以包括这两个面之间的可闭合的或可压缩的空气或真空间隙，如进一步关于图1a和1b讨论的。

示例性光子引擎100进一步包括基本上相同的成对的活塞外壳或圆筒108、活塞组装件110、和反射镜面112。容纳腔室102由辅棱镜107的正面、圆筒108、和镜面112来定义。高度反射镜面112搭载在可移动活塞110的平坦表面上。镜面112和活塞112在圆筒108内一起行进。如以下还将描述的，活塞组装件110可以与曲柄轴组装件等机械地连接。

从图1显然的是，反射镜面112和活塞组装件110的移动允许容纳腔室102的体积至少在辅棱镜107的任一侧上增大或减小。优选地，镜面112将一致地移动(作为较大活塞/曲柄轴组装件的一部分)。而且，主棱镜106与辅棱镜107之间的压缩边界114由也是根据本发明的光开关来控制。如以上所讨论的，该光开关可以借助驱动气隙的闭合(通过压缩)以允许光进入容纳腔室102的压电驱动机构116来操作。驱动机构116的操作因此以受控方式确定光开关114的打开和关闭模式。

光子引擎110优选是对主棱镜106和辅棱镜107使用石英材料。更具体而言，光子引擎100提供基于石英的两个基础原理或性质——压电效应和全内反射(TIR)工作的压缩边界光开关。当石英被置于电场中时就发生压电效应。具体而言，石英在存在电场的情况下膨胀。石英的晶体结构具有三条主轴：X、Y、和Z。通过施加沿其X轴朝向的电场，石英将基于该电场的方向而膨胀或收缩。如果该电场导致沿X轴的压缩，则石英将沿着或在Y轴上膨胀。通过在膨胀期间沿Y轴约束石英，就会在石英中沿Y轴产生应力。该沿X轴朝向的电场在Y轴中产生的应力和结果所得的应变被用来压缩这两片石英(即，主棱镜106和辅棱镜107)。

图1a描绘压缩边界界面114在处于关闭或即非操作模式中时的详细示意图。在此模式中，主棱镜106的背面106c与辅棱镜107的正面107c间隔开。给定Snell′s Law(斯涅尔定律)和入射角，这两个棱镜的折射率是充分近似的(例如，优选是处于彼此的约5％到约20％之内)，以便于光开关在打开模式下的操作。另外，两个棱镜的折射率与真空(或大气空间)充分不同以便于光开关在关闭模式下的操作。作为结果，在两个面106c、107c之间提供气隙170。在本描述中，使用压缩边界或界面114来指示气隙170和面106c、107c。图1A还示出石英或主棱镜106的坐标或即轴X、Y。典型地，气隙170的深度在关闭或即非操作模式下约为2000纳米到50纳米，并且更优选地，在约1000纳米到100纳米之间。

图1b图解每逢压电驱动机构116的操作时压缩边界114的压缩。结果是气隙170每逢电场的应用或激励时都被压缩到约100纳米到0纳米。如以上所讨论的，电场的应用导致沿X轴方向上的收缩，其在Y方向上产生应力(作为阻止石英材料或面106在Y方向上膨胀的结果)。优选地，驱动机构116的应用将被施加于主棱镜106和辅棱镜107两者，或更具体而言，面106c和107。优选地，气隙170将被压缩到深度为约100纳米到约0纳米，并且更优选地，深度为约50纳米到约0纳米。

图1a和1b还用于指示根据本发明的光波AA通过主棱镜106和/或压缩边界170的传递。在图1a中，光波AA以大约45°的入射角撞击背面106c。由于还由气隙170提供的折射率，光波AA因TIR在与其入射角大致呈90°的方向上反射。在图1b中，由于气隙170基本上被消除，并且辅棱镜107的石英材料与主棱镜106基本上类似，因此两个面106c、107c作为单个介质起作用。即，消除了(气隙170所提供的)不同折射率的效应。相应地，光波AA穿过面106c并且不中断地穿过辅棱镜107的面107c。

斯涅尔定律描述了在辐射或电磁波从一种介质进入另一种时的效应。结果所得的角度是入射角在两种介质的折射率下的函数。如果斯涅尔定律的结果是虚数，则电磁波被TIR。根据本发明的光子引擎100利用此现象来将光波包含在主棱镜内(这会关于进一步的实施例来描述)。

通过经由压电压缩来耦合TIR以及移除TIR边界，就产生根据本发明的光开关。在关模式下，不施加电压，光被TIR并保持在容纳腔室112外部。在施加电压时，光开关被认为是处于开模式并且TIR边界被移除。这允许光波穿过压缩边界或界面CC，并进入容纳腔室112。相应地，本发明性方法的重要步骤是开动光开关并随后快速关掉，从而捕获或包含光。

优选地，驱动机构116包括向压电石英或棱镜106、107发送信号的高电压低电流(接近静电)源。通过铜版来提供机械连接，例如，附着到主棱镜和辅棱镜106、107的恰适面上。该驱动机构进一步包括用于以超快(千兆赫兹)脉冲提供切换的场效应晶体管。最优选地，该脉冲打开1纳秒并随即关闭1毫秒。

图2是包括活塞210和镜面212的可移动组装件的一个实施例的示意图。该组装件由质量m(和特定面积)以及反射率E来表征。在操作中，透射过压缩边界214并进入辅棱镜207的辐射以距离d对镜面表面照射光通量p₁。辐射压p集中地产生对镜面212和活塞组装件210作用的机械力。

现在转到图3，图解了根据本发明的光子引擎300的替换实施例。在所描绘的变形中——其中相似的附图标记用于指示相似的要素，主棱镜306毗邻辅棱镜307而坐落。具体而言，主棱镜306的背面306c与辅棱镜307的正面307c间隔开，以在主棱镜306与容纳腔室302之间形成压缩边界界面314。边界界面314在本实施例中提供八边形横截面开关元件。在设计和操作的所有其他方面中，光子引擎300与图1中所描绘的基本上类似。如同图1的光子引擎100那样，光子引擎300包括成对的圆筒308、可移动地容纳于其中的活塞310、以及搭载在活塞310上的高度反射镜面312。

图4a和4b图解适合用作本发明中的主棱镜的各种几何配置的棱镜406。棱镜406优选是由折射率大于1.45的晶体石英材料制成。在实践中，提供光波将折射通过、穿过、或从其反射的高度抛光表面是重要的。在图4的棱镜406中，面A、B和C为此被抛光。

图5描绘根据本发明的用于将辐射能量转换成不同形式的能量或功的系统501的简化示意图。系统501利用如先前所描述的光子引擎500。更进一步，系统501利用可以用3M^TM辐射光薄膜来覆盖或涂敷其抛物线内表面的主收集镜面541。系统501可以进一步包括或利用至少一个搭载在主收集器541上方并定位成反射从主收集器541的抛物线内表面反射来的光波的辅收集器镜面540。辅收集器540的特征是表面较小，但可以有利地在外表面上用3M^TM辐射光薄膜来覆盖或涂敷。该系统可以进一步装备有用于将来自辅收集器镜面540和主收集器镜面541的会聚光传递到光子引擎500的光导545。优选地，系统501将包括用于将系统501朝着辐射源定向的支架及底座组装件544、和定点控制器543。

图6a和6b是进一步图解发明性光子引擎的变形——具体而言，多圆筒光子引擎600——的简化示意图。这两幅图还图解发明性引擎600的操作。图6a提供引擎600的正视图，包括一致地进行往复运动的两个圆筒608、608’。在图6b的侧视图中，示出在光子引擎600的一侧的4个圆筒608。圆筒608适合可操作地连接至曲柄轴组装件611的活塞组装件610的行进。

转到图6a，光子引擎600包括八边形主棱镜606，其经由至少部分是分别由背面和正面606c、607c形成的压缩边界界面614毗邻有类似形状的辅棱镜607而定位。辅棱镜607与圆筒608、608’各自相通并且由此与圆筒608、608’各自之中的镜面612和活塞610相通。在图6b的侧视图中，示出4个主棱镜606和4个辅棱镜607，每一对皆与一对或一排圆筒608以及坐落于其中的活塞610和曲柄组装件611可操作地相关联。

转到图6a，压缩边界界面614由棱镜压电驱动机构616可操作地驱动以如上所述地操作压缩边界光开关(CBLS)的打开或关闭。在图6a中，由614a表示的界面用于示出处于关闭位置的光开关(虚线)，而附图标记614b用于表示处于闭合位置的光开关。图6a进一步图解在光子引擎600外部提供的光波源617。光波617首先经由收集器镜面618被捕获或会聚并作为即时辐射被重新引导到主棱镜606中(参见箭头AA)。光波AA以约为45°的入射角撞击背面606c。如果光开关处于关闭位置(由虚线和附图标记614a表示)，则光波AA反射离开界面614a(参见虚线)并且被引导通过棱镜606的另一个面(并离开主棱镜606)。

当界面614处于打开位置(由实线和附图标记614b表示)时，光波AA行进通过界面614b并进入容纳腔室620并且撞击背面606，如箭头AA’所示。进一步，棱镜606和608被配置成使得光波AA’进入容纳腔室608并且被引导成垂直进入圆筒608。由此，光波AA’以优选大致法线角度接触镜面表面612，并且作为结果，达成相对高的反射比程度。如图所示，反射光波朝着打开的界面614b——其现在处于关闭位置——大致垂直地反射回，并且以大约45°角撞击该界面。相应地，反射光波AA’在容纳腔室602的第二圆筒608的方向上反射离开关闭的界面614b。如先前所描述的，反射光波AA’还在大致法线方向上撞击第二镜面612并且在法线朝向上(和以高反射比程度)反射回去。相应地，光波AA’沿着与其行进抵达第二镜面612相同的路径反射。在一方面，在各组件当中，预定光路径尤其是由棱镜606、607、圆筒608、608’的朝向来定义的。这样的预定光路径由图6中的双向箭头AA’来代表。

如先前还描述的，光波AA’接触镜面612的表面在其上产生辐射压。此辐射压作用以使得镜面612和活塞610组装件移位了由图6中的“X”表示的距离(从而产生功)。而且，此位移导致曲柄轴组装件611转动，从而产生机械能。在另一种模式中，驱动机构614可以在调频模式下操作，从而光开关的打开和关闭允许光在与辅棱镜607内部的辐射的频率相关的时标上进入辅棱镜607。以此方式，增强了活塞612组装件上的辐射压。

图7的简化示意图示出根据本发明的光子引擎的又一个替换实施例，其中相似的附图标记用于指示相似的要素。具体而言，图7a描绘主棱镜706和辅棱镜707的利用嵌入主棱镜706中的光束扩展件/收缩件762的安排。具体而言，光束扩展件/收缩件770作用于多次将光束拆分并基于其自身重新引导光束，从而增大最终引入容纳腔室702a中的光波的强度。

在图7的实施例中，主棱镜706a具有八边形形状，并且由此具有8个面或壁708a-708h(仅示出其中一些)。如同在先前的实施例中那样，主棱镜706优选是石英材料制成的。主棱镜706包括从第一面708a延伸出来的突出760，其用作光束入口760。光束入口760优选具有会聚的圆形形状。进一步，主棱镜706的另一面706c毗邻辅棱镜708的正面707c定位并与其间隔开，以形成压缩边界界面714。如以上所讨论的，界面714根据本发明基于适当驱动机构的操作提供压缩边界光开关。

参考图7b的详细视图，在本发明的又一方面中，主棱镜706装备有定位在主棱镜706的内部并嵌入石英材料706’的光束扩展件/收缩件762。图7c和7d提供扩展件/收缩件762的进一步详细例示说明。

回到图7d，光扩展件/收缩件762是嵌入石英材料706’的刻面石英块。在物理上，光扩展件/收缩件762是石英材料706’中其中切割有同心空气界面786的圆形雕刻部分。刻面石英块762以具有给定直径的传入光束AA为中心。如图7b中所示的，石英块762(即，光扩展件/收缩件762)提供石英-空气界面的同心45°刻面组。交叉影线部分示出主棱镜706的石英材料706’以及石英块762的石英材料706”。其余非交叉影线区域为空气或真空界面782，其没有石英材料。更重要的是，这些空气界面782具有与石英材料不同的光学性质(即，折射率)。图7b以及图7c的平面视图也描绘了提供这些同心界面的外圆柱形的同心镜面780。如以下将解释的，镜面780在操作期间作用于反射光的最外面直径的同心圆柱形，从而逆转光路并开始光收缩的过程。

图7d的示意图提供发明性光扩展件/收缩件762如何传递或以其他方式操纵穿过主棱镜706的光束AA的例示说明。在第一传递模式中，光束AA_E在45°石英-空气界面784上反射。每一入射光束在朝外的方向上经历两次90°反射，从而将光束的直径转换成较大(扩展)的直径。在相反模式中，光束AA_C再次命中石英-空气界面784并再经历两次90°反射，其将直径转换成较小(收缩)的直径。

光扩展件/收缩件762因此提供三种操作：光扩展、光反射、以及光收缩。一旦光束AA已被扩展到最大同心圆柱形，就发生光反射(AA_L)。这由自镜面780的、逆转光AA_L的方向的反射来促使。一旦波束已被完全扩展或收缩，光开关(压缩边界界面714)就被激活，从而允许容纳腔室702能如图7g中所示地在两个方向上被充满。图7h图解在光束通量已在主棱镜706中被倍增之后对镜面710和活塞组装件712起作用的结果所得波束图案。一旦所有光都被注入到容纳腔室702中，就使光开关返回关闭位置，从而结果所得光束被包含在容纳腔室702中。来自主棱镜706的光束通量的倍增因此导致更高的功率输出。

图7e和7f图解在压缩边界光开关处于关闭或即关模式中时主棱镜706的一般操作。通过光束入口760以大致法线角度将集中的光束AA引入主棱镜706中。优选地，定位光束入口760以使得引入主棱镜706中的光束AA朝着背面706c和压缩边界界面714定向。最初，光开关处于关闭或即反射阶段。由此，光束AA以大致法线角度并朝着主棱镜706的另一面706e反射。此反射光束AA的入射角使得光束AA还将以大致法线角度从棱镜面706e(以及随后面706g)反射。相应地，如图7e中所示的，光束AA初始因全内反射而绕主棱镜706旋转。

优选地，集中光束AA进入主棱镜706并且在进入光束扩展件/收缩件762之前经历三次光反射。光束AA进入扩展件/收缩件762的方向确定光束AA是被扩展还是收缩。在图7e中，光束AA被示为以顺时针方向在主棱镜706中旋转。光束在该方向上进入光束扩展件/收缩件762导致光束AA被扩展。相反，可以在逆时针方向上在主棱镜内引导光束AA。如图7f中所示，光束AA如此进入扩展件/收缩件762以使得结果所得光束将被收缩。随着每次旋转并引入光束扩展件/收缩件，结果所得光束AA都扩展或收缩到下一级同心圆柱形。然而，扩展被反射镜面780局限于最大级同心圆柱形。在这一点，光束AA的方向被逆转从而从新开始收缩的过程。

提供图8-20以图解对如上所述的利用辐射和/或传递光波和辐射压的装置和/或方法的附加发明性特征和/或改进。出于例示说明的便利性的目的，将主要在(诸如先前关于图1-7所描述的)光子引擎的上下文中描述这些附图和本发明。然而，本发明不应被限定于各种发明性概念的此类具体和示例性构造以及应用。其旨在，并且对相关技术人员而言应明显的是，可以在其他构造中以及随其他应用采用这各种概念。本发明构想了这样的其他构造和其他应用。

例如，构想了可以在包括切换的传递操作以及光学相关的应用中严格地采用本发明装置和方法的各个方面。在具体应用中，光增强、电生成、和/或可移动反射表面的使用可以不是相关的。例如，在严格切换和/或控制操作中可以不使用这些方面。然而，注意到这样的进一步应用涉及根据本发明的利用光波中的辐射压和/或传递光波(或辐射压)。

图8是根据本发明的优选实施例的用于将光束所传达的辐射压转换成机械功的引擎800(“光子引擎”)的简化例示说明。在本优选实施例中，光子引擎800采用使得必须红移光束以减少残留热量的新颖性热控制技术。此优选模式进一步对可移动镜面采用近全反射表面(NTRS)以及采用多个与该镜面可移动地相关联并且串联定位的共振压电致动器。在本实施例中，在可移动棱镜中提供该反射表面和可移动镜面。在优选模式中，机械功通过NTRS传送到可移动棱镜和可压缩压电致动器，然后转换成电输出。光子引擎的操作优选涉及其他关键子过程，包括光束收集、光束倍增、以及光束包含，其中大部分已在本文中作了描述。

可以通过以下各项来解释该发明性引擎的某些组件或过程的操作背后的原理：功控方程、对光切换应用的菲涅耳方程、随着光移动通过参与介质的区域量化光的简化消光方程、以及用以描述全内反射的斯涅尔定律。功控方程提供用于计算光子引擎的功输出的单个方程。菲涅耳方程示出使用瞬逝波的过临界角隧道效应的光切换并且可以在设计用于包含光的合需切换机制时应用。参与介质提供对石英内的光吸收的测量。光子引擎的单个组件依赖于能量通过石英的传递。斯涅尔定律描述光折射以及在结果所得的折射角变成虚数时光被全内反射(TIR)。

该引擎产生的机械功W可以由在光束与可移动镜面表面之间建立动量传递或辐射压关系的活塞-质量系统[1]的功方程来描述。以下方程包括可移动镜面的初始速率并且示出通过光束伸长来消去光束红移。

$W=\frac{1}{2}m({(\frac{p_0{A}_m{t}_0}{m}\left(\frac{1-{\left({\mathrm{\ρ}}_m{\mathrm{\τ}}_s\right)}^z}{1-{\mathrm{\ρ}}_m{\mathrm{\τ}}_s}\right)+v_0)}^2-{v_0}^2)---\left(1\right)$

其中p₀是初始辐射压，

A_m是每一镜面的面积，

t₀是初始光束冲击的历时，

m是镜面/活塞组装件的质量，

ρ_m是镜面的有效反射比，

t_s是光开关的有效透射，

z是在动量传递期间允许的反弹次数，以及

v₀是镜面的初始速率。

引擎的效率通过将式(1)中所示的功除以初始光束中包含的总能量来计算。

可以将光子引擎800描述成具有4个主要组件/阶段：光收集器/光收集810、光倍增器或增强器/光增强820、光转换器/光转换830、以及电生成器/电生成840。图8的简化图描绘这4个主要组件并图解光波AA沿预定路径通过其的示例性行程。

光收集器810从大面积的或分布的收集光生成较小的集中光束AA。在此光收集阶段，光源优选是由大抛物线收集器捕获的太阳能输入。将该光束聚焦到反抛物线镜面，其中收集光AA被再次校准成集中光束。随后将此集中光束定向到光倍增器820。光倍增器820操纵光束AA以生成倍增的或增强的光束。在此增强阶段，从收集器持续地输入收集光束。在另一方面，光倍增器820还允许光收集阶段与光转换阶段的同步。这导致连续的光处理和引擎操作。

图8描绘具有至光倍增器820的延伸突出物的入口。有目的地将入射光束按法线定向到该延伸突出物，从而避免会导致反射的布鲁斯特(Brewster)角[4]。因此，该机器被设计成使得所有入射光束沿法线表面冲击石英。这还防止散射、或与波长相关的折射——其可能以其他方式导致光基于波长散射(彩虹效应)。沿表面法线入射的光将导致镜面反射。在容纳腔室内，这是可接受的，因为光仍在反射。

在光增强阶段，集中光束AA自身卷绕，因此光束AA竖着看时表现为一组较大的同心圆，如图10中所示。此过程提取有相对低能量的薄光束，并通过按每一同心圆加宽该光束来增大光束能量。光路AA继续绕倍增器820的内部进行旋转，其中每一前向旋转冲击扩展件并扩展到下一个直径较大的同心圆。当光束抵达最外部的同心圆时，光AA入射到镜面表面上并在相反方向上反射。光AA随后在光倍增器内在相同路径中但在相反方向上并以相反旋转返回。当光AA入射到光收缩件上时，光束直径随每一反向旋转而减小。光倍增器820在反向光束绕倍增器卷绕回到初始光束直径(实心圆)时产生最强光束。在这一点，集中光束AA已被转换成在两个反向上命中光开关的倍增(增强)光束AA。

通过开动光开关发起光转换阶段以从全反射模式(关闭)改变到全透射模式(打开)。作为结果，倍增光束从光倍增器820注入到容纳腔室830中。当光倍增器中目标光束全空时，使光开关返回其全反射模式(关闭)。

包含光需要迅速从全反射切换到全透射的机制。此光开关的一个实施例在本文中被称为压缩边界光开关(CBLS)。该开关采用两个石英棱镜1101，如图11中所示。石英棱镜1101被间隔开使得在这两个棱镜1101之间存在短距离d。最初，该距离将会相当大——d_r—以产生全内反射，参见图11A。当使得这两个棱镜非常靠近在一起从而仅存在非常小的距离d_t时，光就被全部透射，参见图11C。在过渡时期并且在表面正移动到一起时，光触到另一表面并且光将既被透射也被反射，参见图11B。透射的量可以作为多边界问题使用菲涅耳方程[2]来求解。

当两个石英棱镜1101之间的空间充分窄时，瞬逝波激励第二表面从而光被透射。透射的量是入射角、间隙折射率、石英棱镜折射率、光波长和光偏振的函数。

对于p偏振的全透射示为式(2)。

$T_p^{\mathrm{tot}}=\frac{n_t\cos {\mathrm{\θ}}_t}{n_i\cos {\mathrm{\θ}}_i}\frac{{\left|t_p^{i\→m}\right|}^2{\left|t_p^{m\→t}\right|}^2}{{|e^{-{\mathrm{ik}}_{m}d\cos {\mathrm{\θ}}_m}-r_p^{m\→i}{r}_p^{m\→t}{e}^{{\mathrm{ik}}_{m}d\cos {\mathrm{\θ}}_m}|}^2}---\left(2\right)$

对于s偏振的全透射示为式(3)。

$T_s^{\mathrm{tot}}=\frac{n_t\cos {\mathrm{\θ}}_t}{n_i\cos {\mathrm{\θ}}_i}\frac{{\left|t_s^{i\→m}\right|}^2{\left|t_s^{m\→t}\right|}^2}{{|e^{-{\mathrm{ik}}_{m}d\cos {\mathrm{\θ}}_m}-r_s^{m\→i}{r}_s^{m\→t}{e}^{{\mathrm{ik}}_{m}d\cos {\mathrm{\θ}}_m}|}^2}---\left(3\right)$

菲涅耳系数t_p、t_s、r_p和r_s是麦克斯韦方程的直接结果。在(4.1-4.4)中示出对于p偏振的系数。

$t_p^{i\→m}=\frac{2\cos {\mathrm{\θ}}_i\sin {\mathrm{\θ}}_m}{\cos {\mathrm{\θ}}_m\sin {\mathrm{\θ}}_m+\cos {\mathrm{\θ}}_i\sin {\mathrm{\θ}}_i}---\left(4.1\right)$

$t_p^{m\→t}=\frac{2\cos {\mathrm{\θ}}_m\sin {\mathrm{\θ}}_t}{\cos {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\θ}}_t+\cos {\mathrm{\θ}}_m\sin {\mathrm{\θ}}_m}---\left(4.2\right)$

$r_p^{m\→i}=-\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_m\sin {\mathrm{\θ}}_m-{\cos \mathrm{\θ}}_i\sin {\mathrm{\θ}}_i}{\cos {\mathrm{\θ}}_m\sin {\mathrm{\θ}}_m+{\cos \mathrm{\θ}}_i\sin {\mathrm{\θ}}_i}---\left(4.3\right)$

$r_p^{m\→t}=-\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\θ}}_t-\cos {\mathrm{\θ}}_m\sin {\mathrm{\θ}}_m}{\cos {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\θ}}_t+{\cos \mathrm{\θ}}_m\sin {\mathrm{\θ}}_m}---\left(4.4\right)$

在(5.1-5.4)中示出对于s偏振的系数。

$t_s^{i\→m}=\frac{2\cos {\mathrm{\θ}}_m\sin {\mathrm{\θ}}_i}{\cos {\mathrm{\θ}}_i\sin {\mathrm{\θ}}_m+\cos {\mathrm{\θ}}_m\sin {\mathrm{\θ}}_i}---\left(5.1\right)$

$t_s^{m\→t}=\frac{2\cos {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\θ}}_m}{\cos {\mathrm{\θ}}_m\sin {\mathrm{\θ}}_t+\cos {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\θ}}_m}---\left(5.2\right)$

$r_s^{m\→i}=-\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_i\sin {\mathrm{\θ}}_m-{\cos \mathrm{\θ}}_m\sin {\mathrm{\θ}}_i}{\cos {\mathrm{\θ}}_m\sin {\mathrm{\θ}}_i+\cos {\mathrm{\θ}}_m\sin {\mathrm{\θ}}_i}---\left(5.3\right)$

$r_s^{m\→t}=-\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_m\sin {\mathrm{\θ}}_t-\cos {\mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\θ}}_m}{\cos {\mathrm{\θ}}_m\sin {\mathrm{\θ}}_t+{\cos \mathrm{\θ}}_t\sin {\mathrm{\θ}}_m}---\left(5.4\right)$

全p偏振透射作为间隙距离和波长的函数(6)来求解，并且结果在图12A中标绘出来。

$T_p^{\mathrm{tot}}=\frac{3.686}{e^{4.443\frac{d}{\mathrm{\λ}}}+e^{-4.443\frac{d}{\mathrm{\λ}}}+1.686}---\left(6\right)$

全s偏振透射作为间隙距离和波长的函数(7)来求解，并且结果在图12B中标绘出来。

$T_s^{\mathrm{tot}}=\frac{1.437}{e^{4.443\frac{d}{\mathrm{\λ}}}-e^{-4.443\frac{d}{\mathrm{\λ}}}-0.5604}---\left(7\right)$

对于可见光谱(400nm-700nm)，全透射和全反射状态分别在d_t＝0nm和d_r＞1000nm处发生。这为CBLS提供了最低操作准则并且指示全透射状态在没有理想平坦表面的情况下要求石英棱镜被压缩在一起。

在光转换阶段中，光容纳腔室接收并包含增强的光束，并且促进利用光束所提供的辐射压。将所包含的倍增光引导到两个近全反射表面(NTRS)上。容纳腔室作用于实现所包含光束在NTRS上的连续反射，直至光束中包含的能量被耗尽。

在本实施例中，通过可移动石英棱镜1310来提供可移动镜面和(诸)反射表面。图13A提供棱镜1310的平面视图，描绘了透明正面或即表面1310a和位于棱镜体1310d内的两个呈角度的反射面或即表面13b、13c。图13B的横截面视图更详细地揭示了反射表面1310b、1310c的相对位置以及这些表面1310a、1310b形成的尖角V形。如图13A的平面视图中所示，反射表面1310b、1310c的顶部和底部圆形边缘在棱镜1310的正表面310a下方刻画出一系列同心圆。图13B的视图还指示光束AA朝着初始反射表面1310b、从初始反射表面1310b到回程反射表面1310c、以及从回程反射表面1310c通过正表面并以一方向离开棱镜1310的定向预定路径。如以下将更详细地描述的，面1310a、1310b、和1310c相对地定位使得光束AA以大约90度撞击或穿过正面1310a，以大约45度撞击背面1310b、1310c中的每一者，并再次以大约90度撞击或穿过正面。作为结果，光束AA如所需地穿过透明正面1310a并从两个背面1310b、1310c中的每一者反射。这样，包括其表面或面1310a、310b、1310c的棱镜1310被称为近全反射表面(NTRS)。如以下进一步解释的，可移动棱镜1310和NTRS联合与其可操作地相关联的一系列压电致动器的操作提供了有利的热控制技术。

如本文中所采用的近全反射表面(NTRS)利用全内反射来消除重复反射导致的损耗，虽然参与介质导致能量吸收并且红移导致能量散射。NTRS因此提供显著胜过市售可用镜面的有效镜面表面。

为了解释允许此性能提高的原理，现在参考图14。图14提供光束AA在NTRS中的行程，如由能包所代表。初始能包dQ_初始入射到以速度v直接远离的表面上。速度矢量直接与其初始能包方向矢量对准。结果所得的入射能量dQ_入射被作为光速c的函数的红移减小，如式(8)。

斯涅尔定律[4]描述了光折射，因此当结果所得折射角变成虚数时，光就被全内反射。反射能量dQ_反射等于入射能量，如式(9)。

dQ_反射＝dQ_入射

由于反射能量与速度矢量呈直角地接触棱镜的另一侧，没有红移，因此dQ_最终等于反射能量，如式(10)。

dQ_反射＝dQ_最终

尽管速度越高，入射能量就越少，但结果所得的力几乎是相同的。从两个相等力——一个对于较低表面速度而另一个对于较高表面速度——输出的功是不同的。较高的表面速度将产生较高的功输出，如式(1)中所示的，因为最终速度(第一平方项)是从初始速率(第二平方项)引出的。如果红移接近镜面的反射比，通过足够快地移动镜面，所包含的能量将通过红移而被散射，从而降低残留热量。处于共振的堆叠压电致动器提供用于高效率地将机械功转换成电力并获得用于红移的高NTRS速度的机制。除了实现将辐射压转换成机械功之外，如本文中所教导的NTRS与致动器的组合可用作对热控制的潜在技术问题的技术解决方案。

参与介质通过体积来实现辐射交换。辐射行进通过的(诸)介质会导致衰减。对于诸如辐射均衡的气体之类的简单材料，就可以忽略与波长的相关性。这对于诸如石英之类的固体也是可能的。此简化允许使用简单的吸收系数[3]。

初始能包dQ_初始进入其在此遭遇参与介质、并能如图所示地相互作用或折射的区域。随着能包行进通过该参与介质，其损耗介质所吸收的能量dQ_吸收。在能包离开该介质时，透射能量dQ_透射可再次如图所示地与参与介质相互作用或折射。

可以如式(11)地为能包写下能量平衡。

dQ_初始＝dQ_吸收+dQ_透射(11)

可以如式(12)地使用吸收系数来计算吸收后离开的透射能量。

dQ_透射＝dQ_初始e^-at(12)

可以如式(13)地计算吸收能量。

dQ_吸收＝dQ_初始(1-e^-at)(13)

可以如式(14)地计算NTRS有效反射比ρ_NTRS。

注意在本情形中假定散射是可忽略的并且不考虑负吸收[3]。石英表面反射比ρ_石英包括在dQ_输出中，其包含在dQ_输入进入石英介质时反射的能量。

电生成阶段与光转换阶段同时发生。堆叠的共振压电致动器直接附着于NTRS。对于光转换阶段这段时期，这些致动器收缩，从而通过使NTRS面以高速远离入射光束来提供红移被包含光的必要热控制益处。随后使用H桥接(或类似的)电路来收集由穿过NTRS的光施加至压电致动器的力所产生的附加电流。应注意，将压电致动器用作能量传递组件是众所周知的。其在本文中的整合对于获知本公开的本领域技术人员而言应是显然的。

申请人现在提供对引擎建模的系统和方法。提供5种时间射线跟踪能力：

(1)缘于反射所施加的辐射压的力累积，

(2)用以建模使用光切换来容纳的可变光学元件，

(3)用以建模缘于光束倍增和分裂的通量增量的密封，

(4)缘于红移的能量损耗，

(5)参与介质内的能量吸收。

第一种能力提供对包括来自反射能量的力、和仅来自对节点的直接加热组件的辐射压的辐射压(或辐射力)的计算。来自辐射能量的辐射压是通过建模在倍增反射期间从光子到可移动活塞的内部动量传递来建模可操作光子引擎的最基础概念。

第二种能力是通过时变光学性质来进行光包纳。需要该能力延伸光子引擎的激励以包括光束的倍增。这是通过建模以高反射性开始并随后在有限时间量之后立即改变光学性质以允许透射的表面来完成的。在后续有限时间量之后，立即将该表面改变回高反射性。与第一种情形中的能力不同的是，具有时间相关性质允许光束能如第三种情形中所示地倍增。

第三种能力是在密封之间切换时的通量改变。此能力计算在长的低通量光束绕自身缠绕并随后被可变光学开关分裂以产生较短的高通量光束时源的通量改变(或通量增量)。此过程有效地压缩光束长度，并且由于总能量保持不变，因此结果是高通量光束。

图15和16提供时间射线跟踪的连续统视图和时间射线跟踪的平面(即，时间表)视图。

如式(15)通过计及采样射线的数目n、所包含射线的数目m、以及不同采样时间——初始采样范围t₀到t₁、和可变光学开关范围t₂到t₃——来计算通量增量ΔF。

$\mathrm{\ΔF}=\frac{m}{n}\frac{(t_1-t_0)}{(t_3-t_2)}---\left(15\right)$

通量增量可用来如式(16)地从模型1的通量q”₁确定倍增光束的容纳腔室通量q”₂。

q″₂＝ΔFq″₁         (16)

第四种能力是光束强度因红移产生的能量损耗。在其中动量传递到可移动活塞的机器中，活塞远离入射光束的移动将导致反射能量的红移。这可以通过简单地基于表面在反射期间移动的速度减少反射射线能量来建模。

第五种能力是缘于参与介质的吸收产生的能量损耗。此现象在光透射过诸如石英之类的固体时发生。光子引擎内部的光路需要与石英进行许多相互作用。光倍增器内部的相互作用将导致射线在石英内部行进较长距离。射线在石英内部行进越长，就有越多能量因吸收而损耗。这导致较低的透射和参与介质的变热。光子引擎最可取的操作是具有最低吸收(最高透射)，从而该能量可用于动量传递。

图17图解用以建模参与介质的控制体积办法。不将参与介质区域表示成连续体积而是代之以将该区域网格化成较小的控制体积就允许随着其移动通过一区域而离散地量化吸收。如图15中所示，两个控制体积之间的界面上的能量平衡提供内部发热dQ_n，abs以及进入后续控制体积的能量dQ_x+，如式(17.1-17.2)。

dQ_x-＝dQ_x++dQ_n.abs(17.1)

${\mathrm{dQ}}_{n,\mathrm{abs}}={\mathrm{dQ}}_{x+}(e^{-\mathrm{\α}(l+l_n)}-e^{-\mathrm{\αl}})---\left(17.2\right)$

执行分析以将这些时间射线跟踪能力中的每一者组合成准确地激励示例性工作引擎的单次仿真。在将光建模为射线时必须注意避免光行差。此畸变会在光聚焦到一点时发生。引擎设计已避免光行差。通过总是全内反射以及沿着表面法线没有任何入射角地从一个介质过渡到另一个还避免了布鲁斯特角。

图18图解示例性光子引擎1800，包括对引擎1800的光射线或光束路径。该引擎采用如先前所述的开关1850(有两个毗邻棱镜1840、1842)。图19描绘替换引擎1900以及相关联的射线路径。引擎1900对光开关1950采用单个棱镜。尽管第二棱镜(例如，1942)先前提供了容纳腔室的一部分，但现在线性开关表面或简单的线性开关1950提供压缩边界开关的第二半。

线性开关1960有效地减少了光束行进通过第二棱镜的石英材料的距离(相对于图18的设计和早先描述的设计)。此替换设计与NTRS类似之处在于其使用三角锥形截面1960a。开关1960包括一系列线性三角形棱镜1960a。光与这些面之一呈法线地进入并且在光开关是反射性时被全内反射(TIR)。当光开关为透明时，线性开关的平坦表面朝着主棱镜1940被压缩。可以将此设计延伸到该引擎中的任何棱镜以减少因石英参与介质造成的衰减的量。

使用模拟工具通过增大CBLS以具有与NTRS设计类似的线性三角棱镜设计(线性开关)来合成该设计。通过使用电子数据表，已经使用每射线在容纳腔室内部的反射次数、ρ_NTRS和t_开关的估计、以及最低石英吸收系数a估计出了每种设计的效率。如表1中所反映的，线性开关的使用达成了显著更高的效率。通过这样做，实现了又一种技术解决方案(线性开关)来解决技术问题或挑战(效率、以及尺寸和制造的经济性)。

表1-对于两种光子引擎光学开关设计的效率结果

	每射线反弹次数z	ρNTRS	t开关	a-石英(cm-1)	效率(％)
						标准CBLS开关	10469	0.99999	0.9999	1×10-5	2.07
线性开关	136534	0.99999	0.99999	1×10-5	15.59

然而应理解，可以进行根据本发明的发明性装置的诸组件的各种安排和部署并且将根据特定环境和应用而变更。然而，在这样的应用中，本发明的各方面将可以如上所述地应用。例如，本文中所描述的装置的各方面——诸如容纳腔室设计、光学切换设备、以及光倍增器或光波增强器——可以纳入包括其他引擎的其他机械设备中。作为进一步示例，活塞及圆筒组装件可以被诸如能量存储设备(例如，弹簧设备)之类的另一种能量系统取代。更进一步，所描述的发明的各方面可以在没有其他组件的其他应用中使用。例如，可以在切换、传递性、或控制操作中(独立于本文中所描述的光子引擎、引擎组件、或其他组件)采用光开关和NTRS镜面(可移动或不可移动)的组合。其他示例包括在类似的切换、传递性、或控制应用中采用光增强器或倍增器和/或光开关。

已出于例示说明和描述的目的呈现了本发明的前述描述。应注意，本描述并非旨在将本发明限定于本文中所描述的装置和方法。以上所描述的本发明的各方面可以应用于其他类型的引擎和机械功设备以及用于传递辐射压的方法。还应注意，本发明体现在所描述的方法、这些方法中利用的装置、以及相关组件和子系统中。本发明的这些变形对于获知本公开的光学、引擎领域、或其他相关领域技术人员而言将变得明显。结果，与以上教导相当的变形和修改以及相关技术的技巧和知识都落在本发明的范围之内。本文中所描述和图解的实施例进一步旨在解释用于实践本发明的最佳模式，并使得本领域其他技术人员皆能够利用本发明和其他实施例，以及进行特定应用或本发明的使用所需的各种修改。

Claims (29)

1.一种传递由光波提供的辐射压的方法，所述方法包括以下步骤：

定位具有近全反射表面(NTRS)的反射棱镜，所述反射棱镜包括透明表面和一对反射表面，其中每一反射表面相对于所述透明表面有角度地定位；以及

朝所述反射棱镜引导光波，使得所述光波与所述透明表面大致呈法线并穿过所述透明表面，从而所述光波进一步从所述第一反射表面以及随后从所述第二反射表面反射并且通过所述透明表面离开所述棱镜，由此所述反射光波所传递的辐射压作用于所述反射棱镜。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，定位所述反射表面以使得所述光波在其上以与入射角呈大致90°角反射并以与所述透射表面呈大致法线角度离开所述棱镜。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，多次重复所述引导步骤以使得由所述光波传递的辐射压重复地作用于所述反射棱镜。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括光学开关以及包括所述反射棱镜、所述光学开关、和第二反射镜面的容纳腔室，所述引导步骤进一步包括将光波引入所述容纳腔室中，所述引入步骤包括在所述第一反射表面的方向上引导所引入光波，从而接触所述反射棱镜并从其反射并导致辐射压作用于所述NTRS，由此导致所述反射光波沿预定反射光路行进以使得所述反射光波从所述第二反射镜面反射并在初始反射光路的方向上返回，使得再次导致所述光波从所述反射棱镜反射并使得所述光波沿所述预定光路连续传播多个循环并且辐射压重复地作用于所述反射棱镜，其中所述反射表面由具有近全反射表面(NTRS)的石英棱镜提供。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，选择性地从光源沿预定光路引导所述光波，从而所述光波穿过所述透明表面以从所述这些反射表面之中的每一者以45°角反射并与所述透明表面大致呈法线地离开所述棱镜，使得所述光波红移以减少残留热量。

6.一种传递由光波提供的辐射压的方法，所述方法包括以下步骤：

提供用于包含光波的传播的容纳腔室；

在所述容纳腔室的第一位置处定位第一反射表面并且在所述容纳腔室的第二位置处定位第二反射表面，从而所述第一和第二反射表面的位置和朝向被预定成至少部分地定义预定反射光路；

提供第一棱镜并且定位所述第一棱镜以使得所述第一棱镜的至少一个面形成所述容纳腔室的边界；以及

将光波引入所述容纳腔室中，所述引入步骤包括在所述第一反射表面的方向上引导所引入光波，从而接触所述第一反射表面并导致辐射压作用于所述第一反射表面，以及随后从所述第一反射表面反射，由此导致所反射光波沿所述预定反射光路行进以使得所述反射光波从所述第二反射镜面反射、并在初始反射光路的方向上返回，使得再次导致所述光波从所述第一反射表面反射，以及使得所述光波沿所述预定光路在这些反射表面之间连续传播多个循环并且辐射压重复地作用于所述第一反射表面，其中所述反射表面之中的至少一者是由具有近全反射表面(NTRS)的镜面提供的。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述引入步骤包括通过打开所述棱镜的所述这一个面使得所述光波通过所述这一个面进入所述容纳腔室、并在所述光波进入所述容纳腔室之后关闭所述这一个面来经过所述这一个面将所述光波引导到所述棱镜中。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括提供第二棱镜并且定位所述第二棱镜以使得所述第二棱镜的一个面毗邻所述第一棱镜的所述这一个面定位，其中所述打开所述这一个面的步骤包括将所述第一棱镜的这一个面朝着所述第二棱镜的这一个面压缩，以使得被压缩的这些面在所述第一和第二棱镜之间形成透明界面。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一反射表面是由具有初始反射表面和返回反射表面的反射棱镜提供的，所述初始反射表面提供所述第一反射表面，所述返回反射表面被定位成使得从所述第一反射表面反射的光波在所述返回反射表面上以离开所述棱镜的方向反射，并且使得所述引入步骤导致所述光波在所述初始反射表面、所述返回反射表面、以及至少所述第二反射表面之间传播。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述棱镜是可移动棱镜。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括针对另一光波重复所述引入步骤的步骤，从而所述棱镜的所述这些表面与所述光波的重复接触导致辐射压使所述可移动棱镜沿预定路径移动。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述NTRS包括透明表面、所述初始反射表面、以及所述返回反射表面，所述NTRS相对于所述光波定位以使得所述光波藉由穿过所述透明表面而进入所述棱镜、从所述第一反射表面和所述返回反射表面反射、并通过所述透明表面离开。

13.一种用于传递由光波提供的辐射压的装置，所述装置包括：

配置成包含光波的传播的容纳腔室；

可选择性地在打开模式和关闭模式下操作的光学开关，其中所述光学开关处于打开模式允许光波进入所述容纳腔室，而所述光学开关处于关闭模式阻止所述光波从所述容纳腔室逃逸；以及

定位在所述容纳腔室的一端的反射镜面，所述反射镜面具有近全反射表面(NTRS)；

其中定位所述光学开关和反射镜面以使得所述光学开关可操作以在所述反射镜面的方向上将光波引入所述容纳腔室中，使得所述光波从所述NTRS反射以导致辐射压作用于所述反射镜面。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述反射镜面是具有初始反射表面和返回反射表面的石英棱镜。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述棱镜进一步包括光波通过其进入所述棱镜以接触所述反射表面以及光波通过其离开所述棱镜的透明表面。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述反射表面之中的每一者与所述透明表面呈大致45°地定位。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，定位所述反射表面以使得所述光波在其上以与入射角呈大致90°角反射并以与所述透射表面呈大致法线角度离开所述棱镜。

18.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述镜面具有多个NTRS。

19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述反射镜面是具有多个NTRS的石英棱镜，所述这些NTRS被同中心并彼此毗邻地安排。

20.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

第一棱镜，其定位在所述容纳腔室中以使得所述第一棱镜的体积提供所述容纳腔室的一部分并使得所述第一棱镜的一个面为所述光学开关提供闸门；以及

第二棱镜，其毗邻所述容纳腔室以使得所述第二棱镜的一个面毗邻所述第一棱镜的所述这一个面定位，以及使得所述第一与第二棱镜之间的压缩在所述打开和关闭模式之间操作所述光学开关。

21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，进一步包括压电致动器，其与所述光学开关相关联并可操作以驱动所述第一和第二棱镜在打开和关闭模式之间的压缩。

22.一种传递由光波提供的辐射压的方法，所述方法包括以下步骤：

提供用于包含光波的传播的容纳腔室；

在所述容纳腔室的第一位置处定位具有近全反射表面(NTRS)的镜面以及在所述容纳腔室的第二位置处定位第二反射表面；

提供第一棱镜并且定位所述第一棱镜以使得所述第一棱镜的至少一个面形成所述容纳腔室的边界；

提供第二棱镜并且定位所述第二棱镜以使得所述第二棱镜的一个面毗邻所述第一棱镜的所述这一个面定位；

在所述第二棱镜中接收来自外部源的光波；以及

将所述光波从所述第二棱镜引入所述容纳腔室中，包括在所述NTRS的方向上引导所引入的光波，从而接触所述NTRS以导致辐射压作用于所述NTRS，由此所述光波沿预定反射光路从所述NTRS反射以从所述第二反射表面反射，并在初始反射光路的方向上返回以从所述NTRS反射，由此所述光波重复地接触所述NTRS并从其反射，导致辐射压对其作用。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述引入步骤包括通过打开所述第一棱镜的所述这一个面以使得所述光波通过所述这一个面进入所述容纳腔室、并在所述光波进入所述容纳腔室之后关闭所述这一个面来引导所述光波通过所述第一棱镜的所述这一个面进入所述容纳腔室，并且其中所述打开所述这一个面的步骤包括朝着所述第二棱镜的这一个面压缩所述第一棱镜的这一个面，以使得所述这些被压缩的面在所述第一棱镜和所述第二棱镜之间形成透明界面；以及

重复所述引入步骤，其中包括所述打开步骤，以导致辐射压作用于所述镜面。

24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

在所述引入步骤之前在所述第二棱镜中多次倍增所述光波，由此增大引入所述容纳腔室的所述光波的强度，其中所述倍增步骤包括在所述引入步骤之前在所述第二棱镜内分裂所述光波并得到分裂光波，由此导致光波在分裂之后具有压缩的光束长度。

25.一种用于传递由光波提供的辐射压的装置，所述装置包括：

具有近全反射表面(NTRS)的反射棱镜，所述反射棱镜是具有初始透明表面和一对反射表面的石英棱镜；以及

光波源，其定位成在所述反射棱镜的方向上并与所述透明表面大致呈法线地引导光波，以使得所述光波穿过所述透明表面并从所述反射表面反射，从而导致由所述光波传递的辐射压作用于所述NTRS。

26.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述NTRS包括与所述所引导的光波的路径大致呈法线地定位的透明表面以及各自与所述透明表面呈45°地定位的两个反射表面。

27.如权利要求25所述的装置，其特征在于，所述光波源包括可选择性地操作以沿着去往所述反射镜面并与所述透明表面呈法线的预定光路来引导所述光波的光学开关。

28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，进一步包括配置成包含所述光波在其中的传播的容纳腔室。

29.如权利要求28所述的装置，其特征在于，所述光学开关包括第一棱镜，其定位在所述容纳腔室中以使得所述第一棱镜的体积提供所述容纳腔室的一部分并使得所述第一棱镜的一个面为所述光学开关提供闸门；以及

第二棱镜，其毗邻所述容纳腔室以使得所述第二棱镜的一个面毗邻所述第一棱镜的所述这一个面定位，以及使得所述第一与第二棱镜之间的压缩在所述打开和关闭模式之间操作所述光学开关。

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