Китайские физики обнаружили, что облучение струи жидкости непрерывным лазером приводит к тому, что ее разбиение на капли переходит в сильно упорядоченный режим. Они объяснили этот эффект световым усилением капиллярной волны некоторой частоты с положительной обратной связью.

Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Свет всегда несет с собой некоторый импульс. Это приводит к тому, что при его отражении, преломлении или поглощении тела испытывают действие сил, вызванных давлением излучения. Это довольно слабый эффект: для излучения мощностью в один ватт сила составит всего несколько наноньютонов. Такого воздействия, однако, достаточно для создания оптических пинцетов, лазерного охлаждения, солнечных парусов и манипуляций с каплями.

Другой областью, где оптическое давление может быть ощутимо, стала микрофлюидика. Оказалось, что этих сил хватает, чтобы ощутимо искажать поверхность жидкости. Такие искажения играют важную роль в динамике жидкостных струй. В частности, даже в ровной струе, текущей из крана, появляются и растут неоднородности, которые приводят к разбиению струи на капли (неустойчивость Рэлея — Плато). Следовательно, облучение струи светом способно поменять баланс этих неоднородностей и обнаружить новые интересные эффекты.

Вэйвэй Ден (Weiwei Deng) из Южного научно-технологического университета с коллегами из Китая решили проверить эту идею. Они облучали непрерывным лазером тонкие жидкостные струи и следили за тем, как это влияет на их разбиение на отдельные капли. Обычно этот процесс вызывается капиллярными волнами растущей амплитуды. В силу сложного характера таких неоднородностей, точка отрыва капель от струи, их размер и частота распределяются случайным образом. Физики же показали, что в схеме с лазером возможен режим оптофлюидной стабилизации, при котором все эти параметры оказываются фиксированными, что порождает строго упорядоченный поток капель.

Для этого авторы создавали тонкие струи различных жидкостей с поверхностными натяжениями от 13 до 72 наноньютон на метр, в середины которых фокусировали лазерный свет. Они меняли диаметр сопла (от 60 до 250 микрон), скорость потока (от 1 до 2 метров в секунду), а также мощность лазера (от 0,3 до 3,3 ватт) и длину волны (520, 532 и 638 нанометров).

Непосредственно после включения лазера и фокусировки его выше обычной точки отрыва начинался стохастический переходной процесс, который стабилизировался через 100 миллисекунд. При этом точка отрыва оказывалась всегда ниже точки фокусировки. Из-за кривизны поверхности струи часть излучения периодически направлялась вверх по ней, испытывая полное внутреннее отражение, как в волноводе.

(a) Схематическое изображение эксперимента. (b)-(d) Переходной процесс с плавающей точкой отрыва и случайным образованием капель. (e) и (f) Стабильный режим образования капель, при котором излучение периодически доходит до сопельного мениска. / H. Liu et al. / Physical Review Letters, 2021

Физики подробно изучили пространство параметров, в котором эффект имеет место. Так, они выяснили, что чем ниже по струе фокусируется излучение, тем меньшая мощность требуется для стабилизации, однако тем уже диапазон мощностей, в котором это происходит. Кроме того, расстояние между точкой фокусировки и точкой отрыва оказалось чувствительным к числу Вебера в струе.

Для теоретического понимая эффекта авторы построили модель распространения капиллярной волны, а также смоделировали распространения света в такой струе в лучевом приближении. Они выяснили, что вверх по струе может уходить до 40 процентов излучения. Достигая мениска в районе сопла, свет создает там давление, которое стимулирует возмущение с определенной частотой.

Именно это усиленное светом возмущение, распространяющееся обратно вниз, ответственно за периодических отрыв капель и их однородность. Оно, фактически, модулирует новый световой поток с той же самой частотой, образуя положительную обратную связь. Для подтверждения этой гипотезы, физики наблюдали исчезновение стабилизации после выключение лазера. Оно происходило в опыте за 6 миллисекунд, что в точности равно времени, за которое капиллярная волна проходит расстояние от сопла до точки отрыва.