JP2013231981A - 光波によって生じる放射圧を伝達する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁光波に存在するエネルギを利用する方法及び装置を提供する。
【解決手段】特に、光波における放射圧を利用する技術を提供する。光波を伝達又はそうでなければ操作し、及び／又は光波によって生じる放射圧を伝達する方法及び装置も提供する。本発明の一態様では、光波によって生じる放射圧を伝達する方法を提供する。本方法は、最初の透過表面と、各々が最初の透過表面に対してある一定の角度で位置決めされた１対の反射面とを含む近全反射面を有する反射プリズムを位置決めする段階を伴う。次に、光波は、光波が透過表面に対してほぼ垂直であり、かつそれを通過するように反射プリズムの方向に誘導される。光波は、更に、第１及び次に第２の反射面から反射し、透過表面を通じてプリズムを出射する。このようにして、反射する光波によって伝達される放射圧が、プリズムに対して作用する。
【選択図】図１

Description

本出願は、２００６年７月２６日出願の米国特許仮出願出願番号第６０／８３３、３３６号（現在係属中）の出願日付の恩典を請求する。上述の出願は、あらゆる目的で引用によって本明細書に組み込まれており、本発明の開示の一部を成している。

本発明は、一般的に電磁光波に存在するエネルギを利用する方法及び装置に関する。特に、本発明は、光波における放射圧の利用に関する。本発明はまた、光波を伝達又はそうでなければ操作し、及び／又は光波によって生じる放射圧を伝達する方法及び装置に関する。

米国特許仮出願出願番号第６０／８３３、３３６号 米国特許出願出願番号第１０／８３６、７７４号 国際特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２００４／００８４９５

本発明の一態様では、光波によって生じる放射圧を伝達する方法を提供する。本方法は、最初の透過表面と、各々が最初の透過表面に対してある一定の角度で位置決めされた１対の反射面とを含む近全反射面を有する反射プリズムを位置決めする段階を伴う。次に、光波は、光波が透過表面に対してほぼ垂直であり、かつそれを通過するように反射プリズムの方向に誘導される。光波は、更に、第１及び次に第２の反射面から反射し、透過表面を通じてプリズムを出射する。このようにして、反射する光波によって伝達される放射圧が、プリズムに対して作用する。

別の態様では、光波によって生じる放射圧を伝達するための装置を提供する。装置は、光波の伝播を閉じ込めるように構成された閉じ込めチャンバ、並びに開放モード及び遮断モードで選択的に作動可能な光学スイッチを含む。開放モードでは、光学スイッチは、光波を閉じ込めチャンバに入射させ、遮断モードでは、光学スイッチは、閉じ込めチャンバからの光波の漏出を阻止する。装置は、更に、閉じ込めチャンバの一端に位置決めされた反射ミラーを含む。反射ミラーは、近全反射面を有する。光学スイッチ及び反射ミラーは、光学スイッチが反射ミラーの方向に閉じ込めチャンバ内に光波を導入するように作動可能であるように、かつ光波が近全反射面に対して反射し、放射圧をして反射ミラーに作用させるように位置決めされる。

別の態様では、光波によって生じる放射圧を伝達するための装置を提供する。装置は、近全反射面（ＮＴＲＳ）を有する反射プリズムを含み、反射プリズムは、透過表面及び１対の反射面を有する石英プリズムである。装置は、光波が透過表面を通過して反射面から反射し、それによって光波によって伝達された放射圧をしてＮＴＲＳに作用させるように、反射プリズムの方向に、かつ透過表面に対してほぼ垂直に光波を誘導するように位置決めされた光波源も含む。

本発明の別の態様では、光波を伝達及び／又はそうでなければ操作する方法及び装置を提供する。本発明の別の態様では、インタフェースによって及び／又はインタフェースを通じて光波を伝達する方法及び装置を提供する。より具体的には、本発明は、開放と遮断（又は、透過と反射の状態又はモード）の間でインタフェースを作動させる、すなわち、切り換える方法及び装置を提供する。好ましくは、切り換え作動は、インタフェースの全屈折率を操作する段階を伴う。好ましいモードでは、本方法は、圧縮によって境界インタフェースを排除する段階を伴う。

本発明のこれら及び他の特徴及び利点は、以下の好ましい実施形態の詳細説明及び図面から当業者には明らかであろう。

光波に付随する放射圧を利用するための光子エンジンのような装置を概略的に例示する図である。 光波に付随する放射圧を利用するための光子エンジンのような装置を概略的に例示する図である。 図１の装置と共に使用するのに適するピストンアセンブリの概略図である。 代替の光子エンジンの概略図である。 光子エンジンと共に用いることができるプリズムの図である。 光子エンジンと共に用いることができるプリズムの図である。 更に別の装置の概略図である。 代替装置及びこの装置を作動させる方法を示す略平面図である。 図６ａの装置の側立面図である。 エンジンの様々な構成要素及び／又は段の作動及び構造の概略図である。 エンジンの様々な構成要素及び／又は段の作動及び構造の概略図である。 エンジンの様々な構成要素及び／又は段の作動及び構造の概略図である。 エンジンの様々な構成要素及び／又は段の作動及び構造の概略図である。 エンジンの様々な構成要素及び／又は段の作動及び構造の概略図である。 エンジンの様々な構成要素及び／又は段の作動及び構造の概略図である。 エンジンの様々な構成要素及び／又は段の作動及び構造の概略図である。 エンジンの様々な構成要素及び／又は段の作動及び構造の概略図である。 エンジン及びエンジン作動の主な段／構成要素の概略図である。 光増倍器の概略図である。 光増倍器によって発生する増幅ビームの図である。 光スイッチの様々なモード又は段の図である。 光スイッチの性能を示すグラフである。 光スイッチの性能を示すグラフである。 代替実施形態による可動プリズムの平面図である。 図１３Ａを切った断面図である。 プリズムの表面と光ビームの間の相互作用を示す可動プリズムの図である。 代表的なエネルギパケットが進む時に通る関与媒質の図である。 例示的な時間的光線追跡の連続図である。 例示的な時間的光線追跡のフラット・ランド図である。 関与媒質領域の例示的な制御容積表現の図である。 例示的な光子エンジン及びそれに対する光線経路の図である。 代替の例示的光子エンジン及びそれに対する光線経路の図である。 図１９のエンジンに対する代替の光スイッチの概略図である。 図１９のエンジンに対する代替の光スイッチの概略図である。 図１９のエンジンに対する代替の光スイッチの概略図である。

本出願は、米国特許出願出願番号第１０／８３６、７７４号及び国際特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２００４／００８４９５に関連し、これらの開示内容は、あらゆる目的で引用によって本明細書に組み込まれている。これらの開示内容の実質的な部分は、本明細書の詳細説明に提供しており、本発明の様々な態様に対する背景及び前後関係としての役割を達成する。

本発明以前の装置及び／又は方法を示すために図１〜７を提供する。本発明による装置及び方法を示すために図８〜２０を紹介する。本発明の様々な態様をこれらの付加的な図内に例示する。

一般的に、本発明は、光波固有の又は光波から取得可能な放射圧の利用に関する。放射圧源は、光源によって供給されるか、又はより具体的には、光源から本発明の装置の中又は内に誘導される伝播する電磁波によって供給される。本発明はまた、一般的に、そのような光波を伝達又はそうでなければ操作する方法及び装置に関する。本発明の光子エンジンの作動は、本発明のこの態様の採用を伴っている。一般的に、電磁波は、切り換えモードで機能する少なくとも１つの作動可能プリズムを通じて閉じ込めチャンバ内に誘導される。好ましい実施形態では、１次プリズム及び２次プリズムが用いられ、相互に作動して、第１のプリズムに入射する光を反射すること又は光を閉じ込めチャンバ内へと通過させることのいずれかを行う光スイッチ注入弁が形成される。

光スイッチの作動（図１〜７に関して下記に解説する）は、２つの個々の媒体（すなわち、プリズム）をこれらの媒体が１つの媒体として作用するようにインタフェースに沿って圧縮することができるという光学現象に基づいている。最初に、光は、１次プリズムに所定の角度で導入される。光スイッチが遮断又は非作動モードにある時には、光は、１次プリズムの背面又は壁で反射する。スイッチを開放し、作動モードに入れるために、１次及び２次プリズム、すなわち、第１及び第２の個々媒体は、外部駆動デバイスの作動によって互いに対して圧縮される（又はより具体的には、２次プリズムが、１次プリズムに対して又はそれに向かって圧縮する）。この圧縮を行う上で、２つのプリズムの境界、すなわち、共通面は除去され、２つの媒体は１つの媒体として機能する。一般的に、この境界は、プリズム材料とは異なる屈折率を有する空隙又は真空によって形成するか、又は設けることができる（遮断モードにおいて）。従って、第１のプリズム内に誘導された光は、第２のプリズムとの境界を通過し、第２のプリズムを通過して閉じ込めチャンバに入射する。光が、閉じ込めチャンバ内に移動可能に装着された反射ミラーに対して垂直な角度で閉じ込めチャンバに入射し、その後閉じ込めチャンバ内で伝播するように、光を１次プリズムに所定の角度で誘導することは更に有利である。

光が閉じ込めチャンバ内に閉じ込められると、光スイッチは遮断される。すなわち、閉じ込めチャンバ内の光波又は光は、柱列構造を維持し、閉じ込めチャンバ内で連続して伝播する。より厳密には、閉じ込められた光は、第１の反射ミラーにおいて垂直な角度で反射し、次に、２次プリズムの面に対してほぼ４５°の角度又は他の所定の角度で反射し、更に第２のミラーにおいて同じく垂直な角度で反射する。これらの３つの反射は、既知の所定の時間フレーム内で繰り返される完全なサイクルを構成する。また、時間フレームは、好ましくは、開放モード及び遮断モード間の光スイッチの作動頻度の１／２に対応する。各サイクル中に、放射圧が２つのミラー表面へ又は２つのミラー表面によって伝送され、それによって光波のエネルギが機械的仕事、すなわち、ミラーの移動に変換又は転換されるように、光は、３つの反射面の間で高速度で循環する。好ましい実施形態では、ミラーは、エンジンとして作動するようにピストンに作動的に接続され、シリンダアセンブリ（シリンダは、好ましくは、光を吸収しない）内に収容される。

本発明の説明を容易にするために、ある一定の概念の簡単な説明を最初に提供する。

本発明の方法の対象物である光波は、電磁波である。電磁波は、線形運動量を輸送し、これは、ある一定の表面上に、その表面を電磁波上の光で照射することによって機械的圧力を及ぼすことを可能にする。この圧力は、個々の光の光子に対しては小さいことを理解すべきである。しかし、十分な数の光子が与えられると、有意な機械的圧力を得ることができる。

マクスウェル（Ｊ．Ｃ．）は、完全に吸収される平行な光ビームに対して結果として生じる運動量ｐは、エネルギＵを光の速度ｃで割ったものであることを示している。

（式１）

光ビームが完全に反射された場合には、反射への垂直入射において結果として生じる運動量は、全吸収値の２倍である。

（式２）

これらの例は、運動量移行におけるスペクトルの２つの端部を表している。一端では、完全に吸収されたビームは、完全非弾性の場合を明示し、この場合は粒子が共に粘着し、大部分の運動エネルギは、一般的に熱エネルギ又は変形のような別の形態のエネルギへと損失する。スペクトルの他端では、完全に反射されたビームは、運動エネルギが保存される完全な弾性衝突を明示する。

図２を参照して、以下の数節は、本発明による装置及び方法、すなわち、エンジンによって達成されるパワーの計算を提供する。この計算は、力（Ｆ）、時間（Ｔ）、仕事（Ｗ）、及びパワー（Ｐ）という４つの区域に分割することができる。

マクスウェル［２］は、入射に対して垂直の角度で全反射する平行光ビームに対して、結果として生じる運動量ｐは、エネルギＵを２倍し、光の速度で割ったものであることを示している。

（式３）

この圧力は、ビームをその初期長さｌ_iから圧縮長さｌ_cへと圧縮することによって増倍することができる。増倍されたビームは、初期放射圧ｐ₀を有して時間０（ゼロ）において光子エンジン閉じ込めチャンバに入射し、この放射圧ｐ₀は、次式によって求められる。

（式４）

放射圧の変化は、反射率（関与媒質による吸収を含む）、可動反射面によって引き起こされる赤方偏移、及び光スイッチによる透過率によって説明することができる。

（式５）

上述の式を任意の時間ｎへと一般化すると、跳ね返りｎに対する放射圧ｐ_nは、次式によって求められる。

（式６）

ビームがミラー上に入射する時間は、赤方偏移の関数である。各赤方偏移の後にビーム長さは増加し、それによって入射時間が増大する。

（式７）

上式を任意の時間ｎへと一般化すると、入射時間は、次式で示される。

（式８）

任意の時間ｎにおけるピストンヘッドの速度増加Δｖ_nは、次式によって計算される。

（式９）

時間ｚにおける速度ｖ_zは、時間０からｚにわたってｖの総和を取ることによって計算される。

（式１０）

（式１１）

（式１２）

（式１３）

光子エンジンによって発生する仕事Ｗは、次式によって計算される。

（式１４）

（式１５）

総和は、べき級数解を用いて書き直すことができる。その結果は、短い形式の支配的仕事方程式である。

（式１６）

ここで図１〜７に移ると、これらの図は、本発明による装置のいくつかの実施形態を示している。具体的には、図１、３、５、及び７の各々は、本発明による例示的光子エンジン、及びこの光子エンジンと共に用いるための同じく本発明による様々なデバイスを示している。また、これらの図は、本発明による光波を伝達するか又はそうでなければ操作するためのデバイスも示している。本発明のデバイスのうちの１つは、圧縮境界光スイッチである。これらのデバイスのうちの別のものは、中に導入される光波の強度を高めるために、この光波を増倍又は分割することができる（すなわち、閉じ込めチャンバ内への導入の前に）１次プリズムである。

図１は、各々が本発明により光又は光波を操作又はそうでなければ伝達し、及び／又は放射圧を利用して機械的仕事を発生させるシステム及び／又は装置１００の概略図である。特に、装置１００は、装置１００内に導入されるか、又は装置１００によって操作される光波によって生じる放射線を利用する光子エンジン１００である。好ましくは、本発明の光子エンジン１００は、光波を受光するための１次プリズム１０６、１次プリズム１０６と作動的及び集合的に関連付けられた２次プリズム１０７、及び閉じ込めチャンバ１０２（図１の破線で示している）を含む。１次プリズム１０６及び２次プリズム１０８は、面と面で（又は、壁と壁で）当接し、圧縮境界インタフェース１１４を形成するように置かれる。上記に簡潔に解説したように、インタフェース１１４は、１つのモードにおいて、実際には２つの面の間に閉鎖可能又は圧縮可能な空気又は真空の間隙を含むことができ、これに対しては、図１ａ及び１ｂに関連してより詳しく解説する。

例示的光子エンジン１００は、ピストンハウジング又はシリンダ１０８、ピストンアセンブリ１１０、及び反射ミラー１１２の実質的に同一の対を更に含む。閉じ込めチャンバ１０２は、２次プリズム１０７の前面、シリンダ１０８、及びミラー１１２によって形成される。高反射ミラー１１２は、可動ピストン１１０の平坦な表面上に装着される。ミラー１１２及びピストン１１２は、シリンダ１０８内を一緒に進む。下記において更に説明することになるが、ピストンアセンブリ１１０は、クランクシャフトアセンブリなどと機械的に接続することができる。

図１から明らかなように、反射ミラー１１２及びピストンアセンブリ１１０の移動は、閉じ込めチャンバ１０２の容積が、２次プリズムの少なくともいずれかの側で増大又は減少することを可能にする。好ましくは、ミラー１１２は、同調して移動することになる（より大きなピストン／クランクシャフトアセンブリの一部として）。更に、１次プリズム１０６と２次プリズム１０７の間の圧縮境界１１４は、同じく本発明による光スイッチによって制御される。上述のように、光スイッチは、空隙の閉鎖を駆動して（圧縮により）光が閉じ込めチャンバ１０２内へと通過することを可能にする圧電駆動機構１１６を用いて作動させることができる。従って、駆動機構１１６の作動は、制御された方式で光スイッチ１１４の開放及び遮断モードを決める。

好ましくは、光子エンジン１００は、１次プリズム１０６及び２次プリズム１０７において石英材料を利用する。より具体的には、光子エンジン１００は、圧電効果及び内部全反射（ＴＩＲ）という石英の性質の２つの基本的な原理に基づいて作動する圧縮境界光スイッチを提供する。圧電効果は、石英が電界内に配置された時に発生する。具体的には、石英は、電界の存在の中で膨張する。石英の結晶構造は、３つの主軸Ｘ、Ｙ、Ｚを有する。結晶構造のＸ軸に沿って方向付けられた電界を配置することにより、石英は、電界の方向に基づいて膨張又は収縮することになる。電界がＸ軸に沿って圧縮を生じる場合には、石英は、Ｙ軸に沿って又はＹ軸において膨張することになる。膨張中にＹ軸に沿って石英を拘束することにより、石英内でＹ軸に沿って応力が発生する。Ｘ軸に沿って方向付けられた電界によるこの応力の発生、及びその結果として生じるＹ軸における歪みは、２つの石英（すなわち、１次プリズム１０６及び２次プリズム１０７）を圧縮するのに利用される。

図１ａは、遮断又は非作動モードにある間の圧縮境界インタフェース１１４の詳細図を示している。このモードでは、１次プリズム１０６の背面１０６ｃは、２次プリズム１０７の前面１０７ｃから分離している。スネルの法則及び入射角が与えられると、両方のプリズムの屈折率は、開放モードにおける光スイッチの作動を容易にするのに十分に類似である（例えば、好ましくは、互いに約５％から約２０％の範囲内）。また、両方のプリズムにおける屈折率は、遮断モードにおける光スイッチの作動を容易にするのに十分に空隙（又は空間）と異なっている。その結果、空隙１７０が、２つの面１０６ｃ、１０７ｃの間に設けられる。ここの説明では、空隙１７０及び面１０６ｃ、１０７ｃを指す上で圧縮境界又はインタフェース１１４を用いる。また図１Ａは、石英又は１次プリズム１０６の座標又は軸Ｘ、Ｙを示している。一般的に、空隙１７０は、遮断又は非作動モードで約２０００ナノメートルから５０ナノメートルの深さ、より好ましくは、約１０００ナノメートルから１００ナノメートルの間の深さを有することになる。

図１ｂは、圧電駆動機構１１６の作動を受けた圧縮境界１１４の圧縮を示している。その結果、電界の印加又は励起を受けて、空隙１７０は、約１００ナノメートル〜０ナノメートルへと圧縮される。上述のように、電界の印加は、Ｘ軸線方向の収縮を生じ、この収縮により、Ｙ方向に応力が発生する（石英材料又は面１０６ｃがＹ方向に膨張することが阻止される結果として）。好ましくは、駆動機構１１６の適用は、１次プリズム１０６及び２次プリズム１０７の両方、又はより具体的には面１０６ｃ及び１０７の両方に対して行われることになる。好ましくは、空隙１７０は、約１００ナノメートル〜約０ナノメートル、より好ましくは、約５０ナノメートル〜約０ナノメートルの深さへと圧縮されることになる。

更に、図１ａ及び１ｂを本発明による１次プリズム１０６及び／又は圧縮境界１７０を通じての光波ＡＡの伝達を示すために用いる。図１ａでは、光波ＡＡは、約４５°の入射角で背面１０６ｃに衝突する。空隙１７０によって同様に与えられる屈折率に起因して、光波ＡＡは、ＴＩＲによって入射角に対してほぼ９０°の方向に反射する。図１ｂでは、空隙１７０が実質的に排除され、２次プリズム１０７の石英材料が１次プリズム１０６のものと実質的に同様であるから、２つの面１０６ｃ、１０７ｃは、ただ１つの媒体として機能する。すなわち、異なる屈折率の効果（空隙１７０によって与えられる）が排除される。従って、光波ＡＡは、遮られることなく面１０６ｃ及び２次プリズム１０７の面１０７ｃを通過する。

スネルの法則は、放射線又は電磁波が一方の媒体から他方の媒体へと通過する時の効果を説明する。その結果として生じる角度は、両方の媒体の屈折率における入射角の関数である。スネルの法則の結果が虚数であった場合には、電磁波はＴＩＲである。本発明による光子エンジン１００は、この現象を利用して、光波を１次プリズム内に閉じ込める（更に別の実施形態に関連して説明するように）。

圧電圧縮によるＴＩＲとＴＩＲ境界の除去とのカプリングにより、本発明による光スイッチを提供する。停止モードでは電圧が印加されず、光はＴＩＲであり、閉じ込めチャンバ１１２の外側に留まる。電圧が印加された時、光スイッチは作動モードであると呼び、ＴＩＲ境界は除去される。それにより、光波は、圧縮境界又はインタフェースＣＣを通過して閉じ込めチャンバ１１２内に入ることが可能になる。従って、本発明の方法の重要な段階は、光を捕捉又は閉じ込めるように、光スイッチをオンに作動して、次に迅速にオフにすることである。

好ましくは、駆動機構１１６は、信号を圧電石英又はプリズム１０６、１０７に送信する高電圧、低電流（ほぼ静電的）の電源を含む。機械的接続は、例えば、１次及び２次プリズム１０６、１０７の適切な面に付着された銅板によって設けられる。駆動機構は、非常に迅速な（ギガヘルツ）パルスでの切り換えを達成するために電界効果トランジスタを更に含む。最も好ましくは、パルスは、ナノ秒で開き、次にミリ秒で停止する。

図２は、ピストン２１０及びミラー２１２を含む可動アセンブリの一実施形態の概略図である。このアセンブリは、質量ｍ（及び特定の面積）及び反射率Εによって特徴付けられる。作動時には、ミラー表面は、圧縮境界２１４を通じて２次プリズム２０７内に透過する放射線による距離ｄにわたる光束ｐ₁によって照射される。放射圧ｐは、ミラー２１２及びピストンアセンブリ２１０に対して作用する機械的力を集合的に発生させる。

ここで図３に移ると、本発明による代替実施形態の光子エンジン３００が例示されている。同様の要素を指す上で同様の参照番号を用いている図示の変形では、１次プリズム３０６は、２次プリズム３０７に隣接して位置する。特に、１次プリズム３０６の背面３０６ｃは、２次プリズム３０７の前面３０７ｃから分離され、１次プリズム３０６と閉じ込めチャンバ３０２の間に圧縮境界インタフェース３１４が形成される。この実施形態では、境界インタフェース３１４は、八角形断面のスイッチ要素を形成する。設計及び作動の全ての他の態様では、光子エンジン３００は、図１に示しているものと実質的に同様である。図１の光子エンジン１００と同様に、光子エンジン３００は、１対のシリンダ３０８、その中に移動可能に収容されたピストン３１０、及びピストン３１０の上に装着された高反射ミラー３１２を含む。

図４ａ及び４ｂは、本発明における１次プリズムとしての使用に適する様々な幾何学構成のプリズム４０６を示している。好ましくは、プリズム４０６は、１．４５よりも大きい屈折率を有する結晶石英材料で作られる。実際には、光波がそこを通過するか、又はそこから反射することになる高度に研磨された表面を形成することが重要である。図４のプリズム４０６では、面Ａ、Ｂ、及びＣが、この目的で研磨される。

図５は、本発明により放射エネルギを異なる形態のエネルギ又は仕事へと変換するためのシステム５０１の概略図を示している。システム５０１は、上述のように光子エンジン５００を利用する。更に、システム５０１は、「３Ｍ（登録商標）」の放射光膜によって覆うか又は被覆することができる内側放物表面を有する１次集光ミラー５４１を利用する。システム５０１は、少なくとも、１次集光装置５４１の上方に装着され、１次集光装置５４１の内側放物表面から反射する光波を反射するように位置決めされた２次集光装置ミラー５４０を更に含むか又は利用することができる。２次集光装置５４０は、より小さい表面によって特徴付けられるが、有利な態様においては、外面上を「３Ｍ（登録商標）」の放射光膜で覆うか又は被覆することができる。このシステムには、２次集光装置ミラー５４０及び１次集光装置ミラー５４１からの集中光を光子エンジン５００に伝達するための光誘導器５４５を更に装備することができる。好ましくは、システム５０１は、スタンド及び基部アセンブリ５４４、並びにシステム５０１を放射線源に向って方向付けするための指向コントローラ５４３を含むことになる。

図６ａ及び６ｂは、本発明の光子エンジンの変形、特に多シリンダ光子エンジン６００を更に例示する概略図である。またこれらの２つの図は、本発明のエンジン６００の作動も例示している。図６ａは、同調して往復運動する２つのシリンダ６０８、６０８’を含むエンジン６００の正面図を提供している。図６ｂの側立面図には、光子エンジン６００の一方の側の４つのシリンダ６０８を示している。シリンダ６０８は、クランクシャフトアセンブリ６１１に作動的に接続したピストンアセンブリ６１０の進行を可能にする。

図６ａに移ると、光子エンジン６００は、八角形状の２次プリズム６０７に背面及び前面６０６ｃ、６０７ｃそれぞれによって少なくとも部分的に形成された圧縮境界インタフェース６１４を通じて隣接して位置決めされた同様の形状の１次プリズム６０６を含む。
２次プリズム６０７は、シリンダ６０８、６０８’、及び従ってシリンダ６０８、６０８’の各々内のミラー６１２及びピストン６１０と連通する。図６ｂの側立面図には、４つの１次プリズム６０６及び４つの２次プリズム６０７を示しており、各対は、１対又は１列のシリンダ６０８及びピストン６１０、並びにシリンダ６０８内に位置するクランクアセンブリ６１１と作動的に関連付けられる。

図６ａに移ると、圧縮境界インタフェース６１４は、プリズム圧電駆動機構６１６によって作動的に駆動されて、上述のように圧縮境界光スイッチ（ＣＢＬＳ）の開放又は遮断を作動する。図６ａでは、光スイッチが遮断位置にあることを示すために、６１４ａによって表しているインタフェースを用いており（破線で）、一方で光スイッチが遮断位置にあることを表すために、参照番号６１４ｂを用いている。図６ａは、光子エンジン６００の外部に設けられた光波源６１７を更に例示している。光波６１７は、最初に集光装置ミラー６１８によって捕捉又は集中され、１次プリズム６０６内へと瞬間放射線として再方向付けされる（矢印ＡＡを参照されたい）。光波ＡＡは、背面６０６ｃに約４５°の入射角で衝突する。光スイッチが遮断位置（破線及び参照番号６１４ａによって表している）にある場合には、光波ＡＡは、インタフェース６１４ａで反射し（破線を参照されたい）、プリズム６０６の別の面を通じて再方向付けされる（そして１次プリズム６０６を出射する）。

インタフェース６１４が開放位置（実線及び６１４ｂによって表している）にある時には、光波ＡＡは、インタフェース６１４ｂを通じて進み、矢印ＡＡ’によって示しているように、閉じ込めチャンバ６０２に入射し、背面６０６に衝突する。更に、プリズム６０６及び６０８は、光波ＡＡ’が閉じ込めチャンバ６０８内に入射し、シリンダ６０８内に真っ直ぐに誘導されるように構成される。すなわち、光波ＡＡ’は、好ましくは、ほぼ垂直な角度でミラー表面６１２に接触し、その結果、高度の反射率が得られる。例示しているように、反射光波は、開放インタフェース６１４ｂに向ってほぼ真正面に反射して戻るが、この時にインタフェースは遮断位置にあり、反射光波は、約４５°の角度でインタフェースに衝突する。従って、反射光波ＡＡ’は、遮断インタフェース６１４ｂで閉じ込めチャンバ６０２の第２のシリンダ６０８の方向に反射する。上述のように、反射光波ＡＡ’は、同様にほぼ垂直の向きで第２のミラー６１２に衝突し、垂直の向きで反射して戻る（高度の反射率で）。従って、光波ＡＡ’は、光波ＡＡ’が第２のミラー６１２に達するまでに進んだ同じ経路に沿って反射する。１つの点では、所定の光路は、構成要素の中でも特にプリズム６０６、６０７、シリンダ６０８、６０８’の向きによって定められる。
そのような所定の光路を図６の双方向矢印ＡＡ’で表している。

同じく前に説明したように、ミラー６１２の表面上の光波ＡＡ’の接触は、この表面上に放射圧を発生させる。この放射圧は、図６で「Ｘ」で表している距離だけミラー６１２及びピストン６１０アセンブリを変位させるように作用する（それによって仕事が発生する）。更に、この変位は、クランクシャフトアセンブリ６１１を回転させ、それによって機械的エネルギが発生する。別のモードでは、光スイッチの開放及び遮断により、光が、２次プリズム６０７の内側の放射線の振動数に関連する時間スケールで２次プリズム６０７内に入射することが可能になるように、駆動機構６１４は、振動数変調モードで作動させることができる。このようにして、ピストン６１２アセンブリ上の放射圧が強化される。

図７の概略図は、本発明による更に別の代替実施形態の光子エンジンを示しており、同様の要素を表す上で同様の参照番号を用いている。特に、図７ａは、１次プリズム７０６内に組み込まれた光ビーム拡大器／縮小器７６２を利用する１次プリズム７０６及び２次プリズム７０７の構成を示している。具体的には、光ビーム拡大器／縮小器７７０は、光ビームを複数回分割し、それをそれ自体の上に再方向付けし、それによって最終的に閉じ込めチャンバ７０２ａ内に導入される光波の強度を高めるように機能する。

図７の実施形態では、１次プリズム７０６ａは八角形状を有し、従って、８つの面又は壁７０８ａ〜７０８ｈを有する（これらのうちの一部のみを示している）。前の実施形態と同様に、１次プリズム７０６は、好ましくは、石英材料で作られる。１次プリズム７０６は、第１の面７０８ａから延びる突出部７６０を含む。好ましくは、ビーム入口７６０は、集中円形状を有する。更に、１次プリズム７０６の別の面７０６ｃは、２次プリズム７０８の前面７０７ｃと隣接し、そこから分離して位置決めされ、圧縮境界インタフェース７１４が形成される。上述のように、インタフェース７１４は、本発明による適正な駆動機構による作動に基づいて圧縮境界光スイッチを形成する。

図７ｂの詳細図を参照すると、本発明の更に別の態様では、１次プリズム７０６には、１次プリズム７０６の内部に位置決めされ、石英材料７０６’内に組み込まれた光ビーム拡大器／縮小器７６２が装備される。図７ｃ及び７ｄは、拡大器／縮小器７６２の更に詳細な図を提供している。

図７ｄに戻ると、光拡大器／縮小器７６２は、石英材料７０６’内に組み込まれた切子石英ブロックである。物理的には、光拡大器／縮小器７６２は、中に同心空気インタフェース７８６が切削された石英材料７０６’の彫刻された円形区域である。切子石英ブロック７６２は、所定の直径を有する到着光ビームＡＡ上の中心に置かれている。図７ｂに示しているように、石英ブロック７６２（すなわち、光拡大器／縮小器７６２）は、石英−空気インタフェースの１組の同心４５°切子面を設ける。クロスハッチング区域は、１次プリズム７０６の石英材料７０６’、並びに石英ブロック７６２の石英材料７０６’’を示している。残りのクロスハッチングのない区域は、石英材料のない空気又は真空インタフェース７８２である。より重要なことには、これらの空気インタフェース７８２は、石英材料のものとは異なる光学的性質（すなわち、屈折率）を有する。図７ｂ、及び図７ｃの平面図は、同様に同心インタフェースの外側円筒を形成する同心ミラー７８０を示している。下記に説明することになるが、ミラー７８０は、作動中に最外側直径同心円筒の光を反射し、それによって光路を逆転し、光縮小処理を開始するように機能する。

図７ｄの概略図には、本発明の光拡大器／縮小器７６２が、１次プリズム７０６を通じて進む光ビームＡＡを如何に伝達又はそうでなければ操作するかということが例示されている。伝達の第１のモードでは、光ビームＡＡ_Eは、４５°の石英−空気インタフェース７８４上で反射する。各入射ビームは、外向き方向の２回の９０°反射を受け、それによってビーム直径が大きい（拡大）直径へと変換される。逆進モードでは、光ビームＡＡ_Cは、石英−空気インタフェース７８４に再度当たり、直径をより小さい（縮小）直径に変換する２つの９０°反射を再度受ける。

従って、光拡大器／縮小器７６２は、光拡大、光反射、及び光縮小という３つの作動をもたらす。光反射（ＡＡ_L）は、光ビームＡＡが最大同心円筒まで拡大された時点で発生する。この発生は、光ＡＡ_Lの方向を逆転するミラー７８０の反射によって促される。光ビームが完全に拡大されて縮小された状態で、光スイッチ（圧縮境界インタフェース７１４）が始動され、それにより、図７ｇに示しているように閉じ込めチャンバ７０２を２つの方向に流し込むことが可能になる。図７ｈは、ビーム束が１次プリズム７０６内で増倍された後に結果として生じるミラー７１０及びピストンアセンブリ７１２に対して作用するビームパターンを示している。光の全てが閉じ込めチャンバ７０２内に注入されると、光スイッチは遮断位置に戻され、それがもたらすビームは、閉じ込めチャンバ７０２内に閉じ込められる。従って、１次プリズム７０６からの光ビーム束の増倍は、より高いパワー出力を生じる。

図７ｅ及び７ｆは、圧縮境界光スイッチが遮断又は停止モードにある間の１次プリズム７０６の一般的な作動を示している。集光された光ビームＡＡは、ほぼ垂直の角度でビーム入口７６０を通じて１次プリズム７０６内に導入される。好ましくは、ビーム入口７６０は、１次プリズム７０６内に導入される光ビームＡＡが、背面７０６ｃ及び圧縮境界インタフェース７１４の方向に誘導されるように位置する。最初に、光スイッチは、遮断又は反射段階にある。従って、光ビームＡＡは、ほぼ垂直の角度で１次プリズム７０６の別の面７０６ｅに向って反射する。この反射光ビームＡＡの入射角は、光ビームＡＡが、同様にプリズム面７０６ｅ（及びその後の面７０６ｇ）をほぼ垂直な角度で反射することになるようなものである。従って、図７ｅに例示しているように、光ビームＡＡは、最初に、内部全反射に起因して１次プリズム７０６の周囲を回転する。

好ましくは、集光されたビームＡＡは、１次プリズム７０６に入射して、ビーム拡大器／縮小器７６２に入射する前に３回の光反射を受ける。光ビームＡＡが拡大器／縮小器７６２に入射する方向は、ビームＡＡが拡大されるか又は縮小されるかを決める。図７ｅでは、光ビームＡＡは、１次プリズム７０６内で時計回り方向に周回するように示している。この方向では、ビーム拡大器／縮小器７６２内への光ビームの入射は、ビームＡＡが拡大される結果を生じる。逆に、光ビームＡＡは、１次プリズム内で反時計回り方向に向けることができる。図７ｆに例示しているように、光ビームＡＡは、結果として生じる光ビームが縮小されることになるように拡大器／縮小器７６２に入射する。各周回及びビーム拡大器／縮小器内への導入により、結果として生じる光ビームＡＡは、同心円筒の次のレベルへと拡大又は縮小する。しかし、拡大は、最大レベルの同心円筒にある反射ミラー７８０によって制限される。この時点で、光ビームＡＡの方向は逆転され、それによって縮小処理が再始動される。

付加的な本発明の特徴、及び／又は前に説明したように放射線を利用し、及び／又は光波及び放射圧を伝達するための装置及び／又は方法への改善を示すために図８〜２０を提供する。例示及び便宜目的で、主に光子エンジンを背景として図及び本発明を以下に説明する（図１〜７に関して前に説明されているように）。しかし、本発明は、様々な本発明の概念のそのような特定的かつ例示的な構成及び用途に限定すべきではない。これらの様々な概念を他の構成内で、更に他の用途において採用することができることを意図しており、これは、当業者には明らかであろう。そのような他の構成及び他の用途は、本発明によって想定されている。

例えば、本発明の装置及び方法の様々な態様は、切り換え及び光学関連用途を含む厳密な伝達作動に採用することができることを想定している。特定の用途では、光増幅、発電、及び／又は可動反射面の使用は、関連しない場合がある。例えば、これらの態様は、厳密な切り換え及び／又は制御作動では用いられない場合がある。しかし、そのような更に別の用途は、本発明による光波における放射圧の利用、及び／又は光波（又は放射圧）を伝達する段階を伴うことに注意されたい。

図８は、本発明の好ましい実施形態に従って光ビームによって伝えられる放射圧を機械的仕事に変換するためのエンジン８００（光子エンジン）の概略図である。この好ましい実施形態では、光子エンジン８００は、余熱を低減するために光ビームを赤方偏移する段階を有する新しい熱制御技術を採用する。この好ましいモードは、可動ミラーにおける近全反射面（ＮＴＲＳ）、及びこのミラーに移動可能に関連付けられ、直列に位置決めされた複数の共振圧電アクチュエータを用いる。この実施形態では、反射面及び可動ミラーは可動プリズム内に設けられる。好ましいモードでは、機械的仕事は、電気出力への変換の前に、ＮＴＲＳを通じて可動プリズム及び圧縮可能圧電アクチュエータへと移行される。
好ましくは、光子エンジンの作動は、本明細書において大部分を説明してきた光ビーム集光、光ビーム増倍、及び光ビーム閉じ込めを含む他の重要な部分処理を含む。

本発明のエンジンのある一定の構成要素又は処理の作動の背景にある原理は、支配的仕事方程式、光スイッチングに適用されるフレネルの方程式、関与媒質領域中を光が移動する間の光を定量化するための単純な減衰式、及び内部全反射を説明するスネルの法則によって説明することができる。支配的仕事方程式は、光子エンジンの仕事出力を計算するための単一の式を与える。フレネルの方程式は、エバネッセント波の超臨界角トンネル現象を用いて光スイッチングを示し、光を閉じ込めるために必要なスイッチング機構を設計するのに適用することができる。関与媒質は、石英内の光吸収の測定値を供給する。光子エンジンの複数の構成要素は、石英を通じたエネルギ輸送に依存している。スネルの法則は、光の屈折を説明し、結果として生じる屈折角が虚数になる時には、光は内部全反射される（ＴＩＲ）。

エンジンによって発生する機械的仕事Ｗは、光ビームと可動ミラー表面の間の運動量移行又は放射圧を関連付けるピストン−質量系の仕事方程式［１］によって説明することができる。次式は、可動ミラーの初期速度を含み、光ビームの赤方偏移が、光ビーム伸張によって相殺されることを示している。

ここで、ｐ₀は、初期放射圧であり、
Ａ_mは、各ミラーの面積であり、
ｔ₀は、初期ビーム衝突持続時間であり、
ｍは、ミラー／ピストンアセンブリの質量であり、
ρ_mは、ミラーの有効反射率であり、
ｔ_sは、光スイッチの有効透過率であり、
ｚは、運動量移行中に可能な跳ね返り時間であり、
ｖ₀は、ミラーの初期速度である。

エンジン効率は、式（１）に示している仕事を最初の光ビーム内に含まれる全エネルギによって割算することによって計算される。

光子エンジン８００は、集光装置／集光８１０、光増倍器又は増幅器／増幅８２０、光変換器／変換８３０、並びに発電器／発電８４０という４つの主な構成要素／相を有するものとして説明することができる。図８の概略図は、この４つの主な構成要素を示しており、更に所定の経路に沿ってこの構成要素の中を通る光波ＡＡの例示的な進行を示している。

集光装置８１０は、大きい面積の又は大きく分散した集光光から、より小さい集中ビームＡＡを発生させる。この集光相では、光源は、好ましくは、大きい放物面集光装置によって捕捉される太陽光入力である。ビームは、逆放物面ミラーに合焦され、集光光ＡＡは、再度集中ビームへと視準される。次に、この集中ビームは、光増倍器８２０に誘導される。光増倍器８２０は、ビームＡＡを操作して、増倍又は増幅済みビームを発生させる。
この増幅相中に、集光ビームは、集光装置から連続して入力される。別の態様では、光増倍器８２０は、更に集光相の光変換相との同期を可能にする。その結果は、連続した光処理及びエンジン作動である。

図８は、光増倍器８２０への拡張タブを有する入口を示している。入射ビームは、意図的に拡張タブに対して垂直に誘導され、それによって反射を引き起こすと考えられるブリュースター角が回避される［４］。従って、機械は、全ての入射ビームを垂直な表面に沿って石英に衝突させるように設計される。同様に、それにより、そうでなければ光を波長に基づいて分散させる（レインボー効果）と考えられる分散又は波長依存屈折が阻止される。垂直な表面に沿って入射する光は、正反射を引き起こすことになる。閉じ込めチャンバ内では、光が依然として反射されることからこの正反射は許容される。

光増幅相中に、集光光ビームＡＡは、それ自体の周囲に巻かれ、ビームＡＡは、端部正面から見ると図１０の１組の大きな同心円に見える。この処理は、比較的低いエネルギの肉薄のビームを取得し、各同心円によってビームを拡幅することによってビームエネルギを高める。光路ＡＡは、増倍器８２０の内側で循環を続け、各順方向循環は拡大器に衝突し、次に、大きな直径の同心円へと拡大する。ビームが外側同心円に達すると、光ＡＡは、ミラー表面上に入射し、逆方向に反射される。次に、光ＡＡは、逆方向にあること及び反対の周回であることを除いて光増倍器８２０内で上記と同じ経路を戻る。光ＡＡが光縮小器上に入射すると、ビーム直径は、各逆循環によって低減する。光増倍器８２０は、逆ビームが、増倍器の周りに初期ビーム直径（凝集円）へと再度繰り出された時に最大パワーのビームを発生させる。この時点で、集光光ビームＡＡは、増倍済み（強化済み）光ビームＡＡへと変換されており、両方の方向で光スイッチに当たる。

光変換相は、全反射モード（遮断）から全透過モード（開放）へと変化するように光スイッチを作動させることによって始動される。その結果、増倍済みビームは、光増倍器８２０から閉じ込めチャンバ８３０内に注入される。光増倍器から、対象の光ビームが完全になくなると、光スイッチは、全反射モード（遮断）に戻される。

光を閉じ込めるには、全反射から全透過に迅速に切り換える機構が必要である。この光スイッチの一実施形態を本明細書では圧縮境界光スイッチ（ＣＢＬＳ）と呼ぶ。このスイッチは、図１１に示しているように２つの石英プリズム１１０１を用いる。石英プリズム１１０１は、小さい距離ｄが２つのプリズム１１０１の間に存在するように分離される。
図１１Ａを参照すると、最初にこの距離は有意に大きくなり（ｄ_r）、内部全反射が達成される。図１１Ｃを参照すると、非常に小さい距離ｄ_tしか存在しないように２つのプリズムが互いに非常に近い時に光は全透過される。図１１Ｂを参照すると、中途の表面が互いに移動している間には、光は他方の表面に触れ、光は、透過及び反射の両方を受けることになる。透過量は、フレネルの方程式［２］を用いて多重境界問題として解くことができる。

２つの石英プリズム１１０１の間の空間が十分に幅狭である時には、エバネッセント波が第２の表面を励起し、それによって光が透過される。透過量は、入射角、間隙の屈折率、石英プリズムの屈折率、光の波長、及び光の偏光の関数である。

ｐ偏光における全透過率を式（２）に示す。

ｓ偏光における全透過率を式（３）に示す。

フレネル係数ｔ_p、ｔ_s、ｒ_p、及びｒ_sは、マクスウェルの方程式の直接的な結果である。ｐ偏光におけるこれらの係数を式（４．１〜４．４）に示している。

ｓ偏光におけるこれらの係数を式（５．１〜５．４）に示している。

全ｐ偏光透過率は、間隙距離及び波長の関数として解かれ（６）、その結果を図１２Ａにプロットしている。

全ｓ偏光透過率は、間隙距離及び波長の関数として解かれ（７）、その結果を図１２Ｂにプロットしている。

全透過及び全反射状態は、可視光スペクトル（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）に対して、それぞれ、ｄ_t＝０ｎｍ及びｄ_r＞１０００ｎｍで発生する。それにより、ＣＢＬＳに対する最低作動基準が定められ、完全に平坦な表面でなければ、全透過率状態は、石英プリズムが互いに圧縮されることを必要とすることが示されている。

光変換相では、光閉じ込めチャンバは、増幅済み光ビームを受光して閉じ込め、光ビームによって生じる放射圧の動力利用を容易にする。閉じ込められた増倍済みビームは、２つの近全反射面（ＮＴＲＳ）上に誘導される。閉じ込めチャンバは、光ビーム内に含まれるエネルギが消耗するまでＮＴＲＳ上で閉じ込められた光ビームの連続反射を起こすように機能する。

この実施形態では、可動ミラー及び反射面は、可動石英プリズム１３１０によって形成される。図１３Ａは、プリズム１３１０の平面図を提供しており、透過前面又は前表面１３１０ａ、及びプリズム本体１３１０ｄ内に位置決めされた２つの傾斜した反射面又は反射表面１３ｂ、１３ｃを示している。図１３Ｂの断面図は、反射面１３１０ｂ、１３１０ｃの相対位置、及びこれらの表面１３１０ａ、３１０ｂが形成する角を成すＶ字形状をより詳細に示している。図１３Ａの平面図に示しているように、反射面１３１０ｂ、１３１０ｃの上部及び底部の円形稜線は、プリズム１３１０の前表面３１０ａの下で一連の同心円を示している。また図１３Ｂの断面図は、最初の反射面１３１０ｂに向かい、最初の反射面１３１０ｂから戻りの反射面１３１０ｃに行き、戻りの反射面１３１０ｃから前表面を通じてプリズム１３１０から離れる方向にある光ビームＡＡの所定の誘導経路を示している。下記でより詳細に説明することになるが、面１３１０ａ、１３１０ｂ、及び１３１０ｃは、光ビームＡＡが、前面１３１０ａを約９０度で通過し、背面１３１０ｂ、１３１０ｃの各々に約４５度で衝突し、更に、再度前面を約９０度で通過するように相対的に位置決めされる。その結果、光ビームＡＡは、望ましくは、透過前面１３１０ａを通過し、２つの背面１３１０ｂ、１３１０ｃの各々から反射する。この点から、表面又は面１３１０ａ、１３１０ｂ、１３１０ｃを含むプリズム１３１０を近全反射面（ＮＴＲＳ）と呼ぶ。下記により詳しく説明するように、可動プリズム１３１０及びＮＴＲＳの作動は、これらと作動可能に関連付けられた一連の圧電アクチュエータと連係して有利な熱制御技術をもたらす。

本発明に用いる近全反射面（ＮＴＲＳ）は、関与媒質がエネルギ吸収を引き起こし、赤方偏移がエネルギ発散を引き起こすにも関わらず、内部全反射を利用して繰返し反射からの損失を排除する。従って、ＮＴＲＳは、市販のミラーよりも有意に優れた性能の有効ミラー表面を提供する。

この改善された性能を可能にする原理を説明するために、ここで図１４を参照する。図１４は、エネルギパケットによって表す光ビームＡＡのＮＴＲＳ内での進行の図を提供している。初期エネルギパケットｄＱ_INITIALは、速度ｖで真っ直ぐに遠ざかる表面上に入射する。速度ベクトルは、初期エネルギパケットの方向ベクトルと直接に整列する。その結果として生じる入射エネルギｄＱ_INCIDENTは、式（８）のように光の速度ｃの関数である赤方偏移によって低減する。

スネルの法則［４］は、結果として生じる屈折角が虚数である時に、光が内部全反射されるような光の屈折を説明する。反射エネルギｄＱ_REFLECTは、式（９）のように入射エネルギに等しい。

反射エネルギは、プリズムの他方の側に速度ベクトルに対して直角に接触することから赤方偏移がなく、従って、ｄＱ_FINALは、式（１０）のように反射エネルギに等しい。

入射エネルギは、速度が高い程低くなるが、結果として生じる力は、ほぼ同じである。
一方が低い表面速度に対するもの、及び他方が高い表面速度に対するものである２つの等しい力からの仕事出力は、同じではない。高い表面速度は、式（１）に示すように高い仕事出力を発生させることになり、これは、最終の速度（第１の二乗項）が初期速度（第２の二乗項）を基準とすることによる。ミラー表面を十分に速く移動することによって赤方偏移がミラーの反射率に接近すると、閉じ込められたエネルギは、赤方偏移によって発散することになり、それによって余熱が低下する。積層圧電アクチュエータは、共振して、機械的仕事を電気に効率的に変換し、赤方偏移に向けて高ＮＴＲＳ速度を得るための機構を提供する［５］。放射圧の機械的仕事への変換を起こすのに加えて、本明細書に教示するＮＴＲＳとアクチュエータの組合せは、熱制御の潜在的な技術的問題に対する技術的解決法としての役割を達成する。

関与媒質は、容積を通じて放射交換を達成する。放射線がその内部を進む複数の媒体（又は単一の媒体）は、減衰を引き起こす場合がある。例えば、放射平衡にあるガスのような材料では、波長への依存性を無視することができる。これは、石英のような固体においても可能である。この簡略化により、簡単な吸収係数の使用が可能になる［３］。

初期エネルギパケットｄＱ_INITIALは、図示のようにこのエネルギパケットが相互作用するか又は屈折することができる領域に入射し、ここで関与媒質に遭遇する。エネルギパケットが関与媒質を通じて進むと、それは、それが媒体によって吸収される（ｄＱ_ABSORBED）媒体を損失する。エネルギパケットが媒体を出射すると、透過エネルギｄＱ_TRANSMITTEDは、図示のように、再度関与媒質と相互作用するか又は屈折することができる。

このエネルギパケットにおけるエネルギ収支は、式（１１）のように書くことができる。

吸収の後に残された透過エネルギは、式（１２）のように吸収係数を用いて計算される。

吸収エネルギは、式（１３）のように計算することができる。

ＮＴＲＳ有効反射率ρ_NTRSは、式（１４）のように計算することができる。

この場合には、散乱を無視することができると仮定しており、負の吸収を考慮していないことに注意されたい［３］。石英表面反射率ρ_QUARTZは、ｄＱ_OUT内に含まれ、ｄＱ_INは、石英媒体に入射する時に反射されるエネルギを収容する。

電気発生相は、光変換器相と同時に発生する。積層共振圧電アクチュエータは、ＮＴＲＳに直接取り付けられる。光変換相の継続期間にわたって、アクチュエータは縮小しており、ＮＴＲＳ面を入射ビームから高速度で遠ざけることによって閉じ込められた光を赤方偏移させるという必要な熱制御の利点をもたらす。更に、光によってＮＴＲＳを通じて圧電アクチュエータに印加される力からの付加的な電流は、Ｈ−ブリッジ（又は同様の）回路を用いて蓄積される。エネルギ伝達構成要素としての圧電アクチュエータの採用は、公知であることに注意すべきである。本発明の開示内容が与えられれば、本発明における圧電アクチュエータの統合は、当業者には明らかであろう。

ここで、本出願人は、このエンジンに対するモデル化のシステム及び方法を提供する。
５つの時間的光線追跡機能を提供する。
（１）反射によって及ぼされる放射圧からの力蓄積、
（２）光スイッチングを用いて閉じ込めをモデル化する可変光学器械、
（３）ビーム増倍及び分割からの光束デルタをモデル化する封入体、
（４）赤方偏移からのエネルギ損失、
（５）関与媒質内のエネルギ吸収。

第１の機能は、直接の加熱成分のみからのノードへの放射圧に加えて、反射エネルギからの力を含む放射圧（又は放射力）の計算を可能にする。反射エネルギからの放射圧は、複数の反射の間の光子から可動ピストンへの内部運動量移行をモデル化することにより、作動的光子エンジンをモデル化する最も基本的な概念である。

第２の機能は、時間で変化する光学性質による光閉じ込めである。この機能は、光子エンジンを光ビームの増倍を含むように拡張するのに必要である。この機能は、高反射なものとして始まる表面をモデル化し、次に、有限の時間量の後に光学性質を瞬時に変更して透過を可能にすることによって達成される。その後の有限の時間量の後に、表面は、高反射のものに瞬時に変更し戻される。第１の場合の機能とは異なり、時間依存の性質を有することにより、第３の場合に示すようにビームパワーの増倍が可能になる。

第３の機能は、封入体間の切り換え時の光束変化である。この機能は、長い低光束ビームがそれ自体に巻かれ、次に、可変光学器械スイッチによって分割されて短い高光束ビームが達成される時の光源における光束変化（又は光束デルタ）を計算する。この処理は、ビーム長さを実質的に圧縮し、全エネルギが同じに留まるので、その結果は、高光束ビームである。

図１５及び１６は、時間的光線追跡の連続図及び時間的光線追跡のフラット・ランド図を提供している。

光束デルタΔＦは、式（１５）のように、サンプル光線数ｎ、閉じ込め光線数ｍ、及び異なるサンプル時間、初期サンプル範囲ｔ₀からｔ₁、並びに可変光学器械スイッチ範囲ｔ₂からｔ₃を考慮に入れることによって計算される。

光束デルタは、式（１６）のように、モデル１光束ｑ’’₁からの増倍済みビームの閉じ込めチャンバ光束ｑ’’₂を特定するのに用いることができる。

第４の機能は、赤方偏移に起因するビーム強度におけるエネルギ損失である。可動ピストンへの運動量移行を有する機械では、入射ビームから遠ざかるピストンの移動は、反射エネルギの赤方偏移を引き起こすことになる。この赤方偏移は、反射中に表面が移動する速度に基づいて、単純に反射光線エネルギを低減することによってモデル化することができる。

第５の機能は、関与媒質による吸収からのエネルギ損失である。この現象は、光が、石英のような固体を通じて透過される時に発生する。光子エンジン内の光路は、石英との多くの相互作用を必要とする。光増倍器内の相互作用は、石英の内部で長距離を進む光線を生じることになる。石英内で光線がより長く進む程、吸収によってより多くのエネルギが損失する。それにより、低透過率及び関与媒質の加熱が生じる。光子エンジンの最も望ましい作動は、運動量移行においてエネルギが利用可能であるように、最も低い吸収（最も高い透過）を有するものである。

図１７は、関与媒質をモデル化する制御容積手法を示している。関与媒質の領域を連続容積として表す代わりに、この領域を小さい制御容積へとメッシュ分割することにより、関与媒質が領域を通じて移動する時に吸収を量子化することが可能になる。図１５に示しているように、２つの制御容積間のインタフェースにおけるエネルギ収支は、式（１７．１〜１７．２）のように内部加熱ｄＱ_n、abs、及びその後の制御容積に入射するエネルギｄＱ_x+を生じる。

時間的光線追跡機能の各々を例示的作業エンジンを正確に模擬する単一シミュレーションへと組み合わせる解析を実施した。光を光線としてモデル化する時に、収差を回避するように注意すべきである。この歪曲は、光がある一定の点に合焦される時に発生する。このエンジン設計は、収差を回避している。常に内部全反射して、いかなる入射角もなしに１つの媒体から別の媒体へと表面に垂直に移行することにより、ブリュースター角も同じく回避される。

図１８は、例示的光子エンジン１８００をこのエンジン１８００における光線又はビーム光路を含めて示している。このエンジンは、上述のようにスイッチ１８５０を用いる（２つの隣接プリズム１８４０、１８４２を有する）。図１９は、別のエンジン１９００及びそれに関連する光線経路を示している。エンジン１９００は、光スイッチ１９５０において単一のプリズムを用いる。これまでは第２のプリズム（例えば、１９４２）が、閉じ込めチャンバの一部分を形成したが、ここでは、線形スイッチ表面又は簡易に線形スイッチ１９５０が、圧縮境界スイッチの第２の半分を形成する。

線形スイッチ１９６０は、第２のプリズムの石英材料を通じて進む光ビームの距離を実質的に短縮する（図１８の設計及びそれ以前に説明した設計と比較して）。この別の設計は、三角錐区域１９６０ａを用いる点でＮＴＲＳのものと同様である。スイッチ１９６０は、一連の線形三角プリズム１９６０ａから成る。光は、面のうちの１つに垂直に入射し、光スイッチが反射性を有する時には内部全反射する（ＴＩＲ）。光スイッチが透過性を有する時には、線形スイッチの平坦な表面は、１次プリズム１９４０に対して圧縮される。この設計は、エンジン内のあらゆるプリズムに対して拡張することができ、それによって石英の関与媒質に起因する減衰量が低減する。

ＣＢＬＳを拡張することによってＮＴＲＳ設計と同様の線形三角プリズム設計（線形スイッチ）を有するように設計を合成するシミュレーションツールを用いた。スプレッドシートを利用して、光線毎の閉じ込めチャンバ内の反射時間、ρ_NTRS及びｔ_SWITCHの推定値、並びに最も低い石英の吸収係数ａを用いて各設計の効率を推定した。表１に反映されているように、線形スイッチの使用により、有意に高い効率が得られる。高い効率を得る上で、更に別の技術的解決法（線形スイッチ）が実施され、技術的問題又は難問（サイズ及び製造における効率及び経済性）が解決される。

（表１）

しかし、本発明の装置の構成要素の本発明による様々な構成及び配備は、特定の環境及び用途に従って行うことができ、これらに従って変化することになることを理解すべきである。これらの変化にも関わらず、あらゆるそのような用途において、上述のように、本発明の様々な態様が適用可能になる。例えば、閉じ込めチャンバ設計、光学切り換えデバイス、並びに光増倍器又は光波増幅器のような本明細書に説明した装置の様々な態様は、他のエンジンを含む他の機械的デバイスと併合することができる。更に別の例として、ピストン及びシリンダアセンブリは、エネルギ蓄積デバイス（例えば、バネデバイス）のような別のエネルギシステムによって置換することができる。更に、説明した本発明の様々な態様は、他の構成要素なしに他の用途に用いることができる。例えば、光スイッチとＮＴＲＳミラー（可動又は非可動）との組合せは、切り換え、伝達、又は制御作動において用いることができる（本明細書に説明した光子エンジン、エンジン構成要素、又は他の構成要素とは独立して）。他の例は、同様の切り換え、伝達、又は制御用途における光増幅器又は増倍器、及び／又は光スイッチの採用を含む。

本発明の上述の説明は、例示及び説明目的で提供したものである。この説明は、本発明を本明細書に開示している装置及び方法に限定するように想定されているものではないことには注意されるものとする。上述の本発明の様々な態様は、放射圧を伝達するための他の種類のエンジン及び機械的仕事デバイス並びに方法に適用可能と考えられる。本発明はまた、上述の方法、これらの方法に利用される装置、並びに関連する構成要素及びサブシステムにおいて実施されることには注意すれるものとする。本発明のこれらの変形は、本発明の開示が与えられることにより、光学、エンジン技術、又は他の関連技術における技術者には明らかになるであろう。その結果、上述の教示及び技術、並びに関連技術の知識と同等の変形及び修正は、本発明の範囲内である。更に、本明細書に説明及び例示した実施形態は、本発明を実施する最良のモードを説明し、当業者が、本発明及び他の実施形態を利用し、更に本発明の特定の用途又は使用によって必要とされる様々な修正を加えて利用することを可能にすることを意図したものである。

１００ 光子エンジン
１０６ １次プリズム
１０７ ２次プリズム
１１４ 圧縮境界インタフェース

光子エンジンの概略図である。 光波に付随する放射圧を利用するための光子エンジンのような装置を概略的に例示する図である。 光波に付随する放射圧を利用するための光子エンジンのような装置を概略的に例示する図である。 図１の装置と共に使用するのに適するピストンアセンブリの概略図である。 代替の光子エンジンの概略図である。 光子エンジンと共に用いることができるプリズムの図である。 光子エンジンと共に用いることができるプリズムの図である。 更に別の装置の概略図である。 代替装置及びこの装置を作動させる方法を示す略平面図である。 図６ａの装置の側立面図である。 エンジンの様々な構成要素及び／又は段の作動及び構造の概略図である。 エンジンの様々な構成要素及び／又は段の作動及び構造の概略図である。 エンジンの様々な構成要素及び／又は段の作動及び構造の概略図である。 エンジンの様々な構成要素及び／又は段の作動及び構造の概略図である。 エンジンの様々な構成要素及び／又は段の作動及び構造の概略図である。 エンジンの様々な構成要素及び／又は段の作動及び構造の概略図である。 エンジンの様々な構成要素及び／又は段の作動及び構造の概略図である。 エンジンの様々な構成要素及び／又は段の作動及び構造の概略図である。 エンジン及びエンジン作動の主な段／構成要素の概略図である。 光増倍器の概略図である。 光増倍器によって発生する増幅ビームの図である。 光スイッチの様々なモード又は段の図である。 光スイッチの性能を示すグラフである。 代替実施形態による可動プリズムの平面図である。 図１３Ａを切った断面図である。 プリズムの表面と光ビームの間の相互作用を示す可動プリズムの図である。 例示的な時間的光線追跡の連続図である。 例示的な時間的光線追跡のフラット・ランド図である。 関与媒質領域の例示的な制御容積表現の図である。 例示的な光子エンジン及びそれに対する光線経路の図である。 代替の例示的光子エンジン及びそれに対する光線経路の図である。 図１９のエンジンに対する代替の光スイッチの概略図である。 図１９のエンジンに対する代替の光スイッチの概略図である。 図１９のエンジンに対する代替の光スイッチの概略図である。

Claims (29)

1. 光波によって生じる放射圧を伝達する方法であって、
   透過表面と各々が該透過表面に対してある一定の角度で位置決めされた１対の反射面とを含む近全反射面（ＮＴＲＳ）を有する反射プリズムを位置決めする段階と、
   光波を、該光波が前記透過表面に対してほぼ垂直であり、かつそれを通過するように前記反射プリズムの方向に誘導し、それによって該光波が、第１及び次に第２の反射面から更に反射して該透過表面を通じて該プリズムを出射し、それによって該反射する光波によって伝達された放射圧が、該反射プリズムに対して作用する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記反射面は、前記光波が該反射面上で入射角に対してほぼ９０°の角度で反射し、かつ前記プリズムを前記透過表面に対してほぼ垂直な角度で出射するように位置決めされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記誘導する段階は、前記光波によって伝達される放射圧が前記反射プリズムに対して繰り返して作用するように複数回繰り返されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 光学スイッチと、前記反射プリズム、該光学スイッチ、及び第２の反射ミラーを含む閉じ込めチャンバとを更に含み、
   前記誘導する段階は、光波を前記閉じ込めチャンバ内に導入する段階を更に含み、
   前記導入する段階は、該導入した光波を前記第１の反射面の方向に誘導し、それによって前記反射プリズムに接触させてそこから反射させ、かつ放射圧をして前記ＮＴＲＳに作用させ、それによって該反射した光波が所定の反射光路に沿って移動させられ、それによって該反射光波が、該光波が再度該反射プリズムで反射させられるように、前記第２の反射ミラーで反射して該初期反射光路の方向に戻り、かつそれによって該光波が、複数のサイクルにわたって該所定の光路に沿って継続して伝播して、放射圧が、該反射プリズムに対して繰り返して作用する段階を含み、
   前記反射面は、前記近全反射面（ＮＴＲＳ）を有する石英プリズムによって提供される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記光波は、光源から所定の光路に沿って選択的に誘導され、それによって該光波は、該光波が赤方偏移して余熱を低減するように、前記透過表面を通過して前記反射面の各々に対して４５°の角度で反射し、かつ前記プリズムを該透過表面に対してほぼ垂直に出射することを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 光波によって生じる放射圧を伝達する方法であって、
   光波の伝播を閉じ込めるための閉じ込めチャンバを準備する段階と、
   前記閉じ込めチャンバの第１の位置に第１の反射面を位置決めし、かつ該閉じ込めチャンバの第２の位置に第２の反射面を位置決めし、それによって該第１及び第２の反射面の該位置及び向きが予め決められて、少なくとも部分的に所定の反射光路を形成する段階と、
   第１のプリズムを準備し、該第１のプリズムの少なくとも１つの面が前記閉じ込めチャンバの境界を形成するように該第１のプリズムを位置決めする段階と、
   導入される光波を前記第１の反射面の方向に誘導し、それによって該第１の反射面に接触させ、かつ放射圧をして該第１の反射面に作用させ、次に、該第１の反射面で反射させ、それによって該反射した光波が、前記所定の反射光路に沿って移動させられ、それによって該反射光波が、該光波が再度該第１の反射面で反射させられるように、前記第２の反射面で反射して該初期反射光路の方向に戻り、かつそれによって該光波が、複数のサイクルにわたって該所定の光路に沿って該反射面間を継続して伝播して、放射圧が、該第１の反射面に対して繰り返して作用する段階を含む、光波を前記閉じ込めチャンバ内に導入する段階と、
   を含み、
   前記反射面のうちの少なくとも１つは、近全反射面（ＮＴＲＳ）を有するミラーによって提供される、
   ことを特徴とする方法。
7. 前記導入する段階は、前記光波が前記１つの面を通じて前記閉じ込めチャンバに入射するように前記プリズムの該１つ面を開放し、かつ該光波が該閉じ込めチャンバに入射した後に該１つの面を遮断することにより、該光波を該１つの面を通じて該プリズム内に誘導する段階を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 第２のプリズムを準備して、該第２のプリズムの１つの面が前記第１のプリズムの前記１つの面に隣接して位置決めされるように該第２のプリズムを位置決めする段階を更に含み、
   前記１つの面を開放する前記段階は、前記第１のプリズムの該１つの面を前記第２のプリズムの前記１つの面に向けて圧縮し、それによって該圧縮された面が、該第１及び第２のプリズム間の透過インタフェースを形成する段階を含む、
   ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記第１の反射面は、該第１の反射面を形成する初期反射面と、該第１の反射面から反射する光波が前記プリズムから離れる方向に該反射面上で反射されるように位置決めされた戻り反射面とを有する反射プリズムによって提供され、かつそれによって前記導入する段階は、該初期反射面、該戻り反射面、及び少なくとも前記第２の反射面の間の該光波の伝播を引き起こすことを特徴とする請求項６に記載の方法。
10. 前記プリズムは、可動プリズムであることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 別の光波に対して前記導入する段階を繰り返し、それによって前記プリズムの前記表面の該光波との繰り返される接触が放射圧をして該可動プリズムを所定の経路に沿って移動させる段階を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記ＮＴＲＳは、透過表面、前記初期反射面、及び前記戻り反射面を含み、かつ前記光波が、該透過表面を通過することによって前記プリズムに入射し、前記第１の反射面及び該戻り反射面から反射し、該透過表面を通じて出射するように該光波に対して位置決めされていることを特徴とする請求項９に記載の方法。
13. 光波によって生じる放射圧を伝達するための装置であって、
    光波の伝播を閉じ込めるように構成された閉じ込めチャンバと、
    開放モード及び遮断モードで選択的に作動可能であり、開放モードで光波を前記閉じ込めチャンバに入射させ、遮断モードで該閉じ込めチャンバからの該光波の漏出を阻止する光学スイッチと、
    前記閉じ込めチャンバの一端に位置決めされ、かつ近全反射面（ＮＴＲＳ）を有する反射ミラーと、
    を含み、
    前記光学スイッチ及び反射ミラーは、該光学スイッチが、前記閉じ込めチャンバ内に該反射ミラーの方向に光波を導入し、それによって該光波が前記ＮＴＲＳで反射し、放射圧をして該反射ミラーに作用させるように作動可能であるように位置決めされる、
    ことを特徴とする装置。
14. 前記反射ミラーは、初期反射面と戻り反射面とを有する石英プリズムであることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 前記プリズムは、透過表面を更に含み、それを通じて光波が該プリズムに入射して前記反射面に接触し、かつそれを通じて光波が該プリズムを出射することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
16. 前記反射面の各々は、前記透過表面に対してほぼ４５°に位置決めされることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
17. 前記反射面は、前記光波が、該反射面上で入射角に対してほぼ９０°の角度で反射し、かつ前記プリズムを前記透過表面に対してほぼ垂直な角度で出射するように位置決めされることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 前記ミラーは、複数のＮＴＲＳを有することを特徴とする請求項１３に記載の装置。
19. 前記反射ミラーは、同心状に互いに隣接して配置された複数のＮＴＲＳを有する石英プリズムであることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. プリズムの容積が前記閉じ込めチャンバの一部分を形成するように、かつプリズムの１つの面が前記光学スイッチに対するゲートを形成するように該閉じ込めチャンバに位置決めされた第１のプリズムと、
    プリズムの面が前記第１のプリズムの前記１つの面に隣接して位置決めされるように、かつ該第１のプリズムとの間のプリズムの圧縮が前記開放及び遮断モード間で前記光学スイッチを作動させるように前記閉じ込めチャンバに隣接した第２のプリズムと、
    を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
21. 前記光学スイッチに関連付けられ、かつ前記開放及び遮断モード間で前記第１及び第２のプリズムの圧縮を駆動するように作動可能な圧電アクチュエータを更に含むことを特徴とする請求項２０に記載の装置。
22. 光波によって生じる放射圧を伝達する方法であって、
    光波の伝播を閉じ込めるための閉じ込めチャンバを準備する段階と、
    近全反射面（ＮＴＲＳ）を有するミラーを前記閉じ込めチャンバの第１の位置に、かつ第２の反射面を該閉じ込めチャンバの第２の位置に位置決めする段階と、
    第１のプリズムを準備し、該第１のプリズムの少なくとも１つの面が前記閉じ込めチャンバの境界を形成するように該第１のプリズムを位置決めする段階と、
    第２のプリズムを準備し、該第２のプリズムの１つの面が前記第１のプリズムの前記１つの面に隣接して位置決めされるように該第２のプリズムを位置決めする段階と、
    前記第２のプリズムに外部光源からの光波を受光する段階と、
    導入される光波を前記ＮＴＲＳの方向に誘導し、それによって該ＮＴＲＳに接触させて、放射圧をして該ＮＴＲＳに対して作用させ、それによって該光波が、所定の反射光路に沿って該ＮＴＲＳから反射して前記第２の反射面で反射し、該初期反射光路の方向に戻って該ＮＴＲＳで反射し、それによって該光波が、該ＮＴＲＳに繰り返し接触してそこで反射し、放射圧をしてそこに対して作用させる段階を含む、該光波を前記第２のプリズムから前記閉じ込めチャンバ内に導入する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
23. 前記導入する段階は、
    前記光波が前記第１のプリズムの前記１つの面を通じて前記閉じ込めチャンバに入射するように該１つの面を開放し、該１つの面を開放する該段階が、該第１のプリズムの該１つの面を前記第２のプリズムの前記１つの面に向けて圧縮し、それによって該圧縮面が該第１及び第２のプリズム間の透過インタフェースを形成する段階を含み、かつ該光波が該閉じ込めチャンバに入射した後に該１つの面を遮断することにより、該第１のプリズムの該１つの面を通じて該閉じ込めチャンバ内に該光波を誘導する段階と、
    前記開放する段階を含む前記導入する段階を繰り返して、放射圧をして前記ミラーに対して作用させる段階と、
    を含む、
    ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 前記光波を分割し、前記導入する段階の前に前記第２のプリズム内で分割された光波をもたらし、それによって分割後に圧縮ビーム長さを有する光波をもたらす段階を含む、該導入する段階の前に該第２のプリズムにおいて前記光波を複数回増倍し、それによって前記閉じ込めチャンバ内に導入される該光波の強度を高める段階、
    を更に含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
25. 光波によって生じる放射圧を伝達するための装置であって、
    近全反射面（ＮＴＲＳ）を有し、かつ初期透過表面と１対の反射面とを有する石英プリズムである反射プリズムと、
    光波が前記透過表面を通過して前記反射面から反射し、それによって該光波によって伝達された放射圧をして前記ＮＴＲＳに対して作用させるように、前記反射プリズムの方向に該透過表面に対してほぼ垂直に該光波を誘導するように位置決めされた光波源と、
    を含むことを特徴とする装置。
26. 前記ＮＴＲＳは、前記誘導される光波の経路に対してほぼ垂直に位置決めされた透過表面と、各々が該透過表面に対して４５°に位置決めされた２つの反射面とを含むことを特徴とする請求項２５に記載の装置。
27. 前記光波源は、前記反射ミラーまで前記透過表面に対して垂直に所定の光路に沿って前記光波を誘導するように選択的に作動可能な光学スイッチを含むことを特徴とする請求項２５に記載の装置。
28. 前記光波の伝播を閉じ込めるように構成された閉じ込めチャンバを更に含むことを特徴とする請求項２７に記載の装置。
29. 前記光学スイッチは、
    プリズムの容積が前記閉じ込めチャンバの一部分を形成するように、かつプリズムの１つの面が前記光学スイッチに対するゲートを形成するように該閉じ込めチャンバに位置決めされた第１のプリズムと、
    プリズムの面が前記第１のプリズムの前記１つの面に隣接して位置決めされるように、かつ該第１のプリズムとの間のプリズムの圧縮が開放及び遮断モード間で前記光学スイッチを作動させるように前記閉じ込めチャンバに隣接した第２のプリズムと、
    を含む、
    ことを特徴とする請求項２８に記載の装置。

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