光镊知识

2014-07-25 admin1 111

  光是一种特殊的物质,携带有能量和动量,光与物质相互作用时彼此交换能量和动量,产生各种效应。

  光与物质间可以交换动量,使受光照射的物体受到一个力或力矩,也即产生光的力学效应。由于通常光源发出的光产生的力学效应太微弱,这一效应在激光发明之后才引起人们的关注,并取得了突破性进展。

  1.光镊的原理

  1.1光的动量和光压

  光的电磁理论,证明了光作为电磁波,不但具有能量,而且具有动量。

  对于单色平面光波,设其电磁场能量密度为u,它以光速c传播,相应的电磁能流密度矢量的大小为

  s=uc,(方向指向光的传播方向)

  而动量密度(单位体积的光场携带的动量)为

  g=u/c,(方向沿光的传播方向或波矢的方向)

  单位时间流过垂直光传播方向单位面积的动量为g=gc=u=s/c。按光的量子理论,波矢为k的单色平面波可以看成是一束光子流,其中每一个光子所携带的能量ε=V,动量为:

  P=h*k=h/λ

  (其中,H:普朗克常数,λ=1/k光波长)

  如果光束中的光子密度为n,也即光场的能量密度为u=ε,于是动量密度

  g=np=u/c,

  与经典电磁理论的结果一样。由此式直接可得能量为E的平面光波所携带的动量为

  g=E/c

  既然光具有动量,根据牛顿第二定律,作用在物体上的力就等于光引起的单位时间内物体动量的变化光与物体相互作用的过程中就可能伴随有动量的交换。单位时间里物体动量的变化就是所受的力,这意味着光对被照物体施加一个力的作用。这种由于光辐射对物体产生的力通常称之为光的辐射压力或简称光压。

  一束平行光照射到物体上,其动量变化为Δp,历经时间t秒,则物体得到的动量为-Δp。由此可得光作用在物体上的力为F=-Δp/t。如果光束作用的面积为s,则单位面积上受到的力即为光压p=F/s。

  2.2 光镊——单光束梯度力光阱

  日常,我们用来挟持物体的镊子,都是有形物体 ,我们感觉到镊子的存在,然后通过镊子施加一定的力钳住物体。捕获微小粒子的光镊是一个特别的光场,这个光场与物体相互作用时,物体整个受到光的作用从而达到被钳的效果,然后可以通过移动光束来实现迁移物体的目的。如果以形成光场的中心划定一个几微米方圆的区域,你将会观察到一旦光子涉足这个禁 区就会自动迅速坠落光的中心,表现出这个光场具有地心引力的效应。如将被光镊捕获的粒子比做坠入碗底的玻璃珠,那么,光镊又酷似一个陷阱。这个特别的光场造就了一个势能较低的区域(碗底),即从这区域内到区域外存在一个势垒(碗壁)。当物体的动能不足以克服势垒时,粒子将始终停留在阱内。虽然光与物体相互作用的过程我们是看不见的摸不着,其结果展现给我们的是,通过光镊作用的物体是在按特定路线运行。光镊搬运粒子的情形就酷是一个无形的机械手,这个看不见的机械手将按照您的意志形自如地控制目标粒子。

  对于一台光强呈高斯型分布,功率为10mW的HE-nE激光,若光束发散角为2’,由此获得光束方向上的辐射亮度是太阳光的1万倍,若把该光束会聚到微米量级,由上述方法可计算出,在光束中心可产生106达因/ 平方米的辐射压力,如果把一个微米量级的电介小球置于此HE-nE激光光束焦点处,可使该小球产生108cm/s2≈105g的加速度,如此大的力使得激光动力学的开发应用成为可能。

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