光鑷知識(shí)

光是一種特殊的物質(zhì)，攜帶有能量和動(dòng)量，光與物質(zhì)相互作用時(shí)彼此交換能量和動(dòng)量，產(chǎn)生各種效應(yīng)。

　　光與物質(zhì)間可以交換動(dòng)量，使受光照射的物體受到一個(gè)力或力矩，也即產(chǎn)生光的力學(xué)效應(yīng)。由于通常光源發(fā)出的光產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)太微弱，這一效應(yīng)在激光發(fā)明之后才引起人們的關(guān)注，并取得了突破性進(jìn)展。

　　光鑷的原理

　　1.1光的動(dòng)量和光壓

　　光的電磁理論，證明了光作為電磁波，不但具有能量，而且具有動(dòng)量。

　　對(duì)于單色平面光波，設(shè)其電磁場(chǎng)能量密度為u，它以光速c傳播，相應(yīng)的電磁能流密度矢量的大小為

　　s=uc，(方向指向光的傳播方向)

　　而動(dòng)量密度(單位體積的光場(chǎng)攜帶的動(dòng)量)為

　　g=u/c，(方向沿光的傳播方向或波矢的方向)

　　單位時(shí)間流過垂直光傳播方向單位面積的動(dòng)量為g=gc=u=s/c。按光的量子理論，波矢為k的單色平面波可以看成是一束光子流，其中每一個(gè)光子所攜帶的能量ε=V，動(dòng)量為：

　　P=h*k=h/λ

　　(其中，H：普朗克常數(shù)，λ=1/k光波長)

　　如果光束中的光子密度為n，也即光場(chǎng)的能量密度為u=ε，于是動(dòng)量密度

　　g=np=u/c，

　　與經(jīng)典電磁理論的結(jié)果一樣。由此式直接可得能量為E的平面光波所攜帶的動(dòng)量為

　　g=E/c

　　既然光具有動(dòng)量，根據(jù)牛頓第二定律,作用在物體上的力就等于光引起的單位時(shí)間內(nèi)物體動(dòng)量的變化光與物體相互作用的過程中就可能伴隨有動(dòng)量的交換。單位時(shí)間里物體動(dòng)量的變化就是所受的力，這意味著光對(duì)被照物體施加一個(gè)力的作用。這種由于光輻射對(duì)物體產(chǎn)生的力通常稱之為光的輻射壓力或簡稱光壓。

　　一束平行光照射到物體上,其動(dòng)量變化為Δp,歷經(jīng)時(shí)間t秒,則物體得到的動(dòng)量為-Δp。由此可得光作用在物體上的力為F=-Δp/t。如果光束作用的面積為s,則單位面積上受到的力即為光壓p=F/s。

　　2.2 光鑷——單光束梯度力光阱

　　日常，我們用來挾持物體的鑷子，都是有形物體 ，我們感覺到鑷子的存在，然后通過鑷子施加一定的力鉗住物體。捕獲微小粒子的光鑷是一個(gè)特別的光場(chǎng)，這個(gè)光場(chǎng)與物體相互作用時(shí)，物體整個(gè)受到光的作用從而達(dá)到被鉗的效果，然后可以通過移動(dòng)光束來實(shí)現(xiàn)遷移物體的目的。如果以形成光場(chǎng)的中心劃定一個(gè)幾微米方圓的區(qū)域，你將會(huì)觀察到一旦光子涉足這個(gè)禁 區(qū)就會(huì)自動(dòng)迅速墜落光的中心，表現(xiàn)出這個(gè)光場(chǎng)具有地心引力的效應(yīng)。如將被光鑷捕獲的粒子比做墜入碗底的玻璃珠，那么，光鑷又酷似一個(gè)陷阱。這個(gè)特別的光場(chǎng)造就了一個(gè)勢(shì)能較低的區(qū)域(碗底)，即從這區(qū)域內(nèi)到區(qū)域外存在一個(gè)勢(shì)壘(碗壁)。當(dāng)物體的動(dòng)能不足以克服勢(shì)壘時(shí)，粒子將始終停留在阱內(nèi)。雖然光與物體相互作用的過程我們是看不見的摸不著，其結(jié)果展現(xiàn)給我們的是，通過光鑷作用的物體是在按特定路線運(yùn)行。光鑷搬運(yùn)粒子的情形就酷是一個(gè)無形的機(jī)械手，這個(gè)看不見的機(jī)械手將按照您的意志形自如地控制目標(biāo)粒子。

　　對(duì)于一臺(tái)光強(qiáng)呈高斯型分布,功率為10mW的HE-nE激光,若光束發(fā)散角為2’,由此獲得光束方向上的輻射亮度是太陽光的1萬倍,若把該光束會(huì)聚到微米量級(jí),由上述方法可計(jì)算出,在光束中心可產(chǎn)生106達(dá)因/ 平方米的輻射壓力,如果把一個(gè)微米量級(jí)的電介小球置于此HE-nE激光光束焦點(diǎn)處,可使該小球產(chǎn)生108cm/s2≈105g的加速度,如此大的力使得激光動(dòng)力學(xué)的開發(fā)應(yīng)用成為可能。