光力学效应-光镊原理与应用 《大学物理》系列讲座

光子与物体的相互作用
光与物质相互作用—光的效应
光的效应:
在光的作用下，物体在宏观上产生的各种现象。
光的热学效应:
光与物体相互作用时物体的温度发生变化.—常见现象
光的力学效应:
光与物质间交换动量，使受光照射的物体获得一个力或力 矩，物体发生位移、速度和角度的变化. —难以察觉
(光电效应,磁光效应,光化学效应, 康普顿效应……)
六束各向同 性激光辐射 与具有热速 度分布原子 气体冷却
原子的激光冷却—实验装置图
Βιβλιοθήκη Baidu
激光扫频法：
(Frequency Chirping)
基本思想是让冷却激 光的频率连续跟随原 子多普勒频移的变化 ，持续保持共振。
朱棣文1985年所用的仪器
这种方法在使用中得到了发展，成功地将原子束减速。
激光与微观粒子的相互作用
1985年，朱棣文用两种不同的方法(二维光学势阱和磁光量子 阱)实现原子冷却，温度冷却到2.4×10-4 开尔文(K)。
1986年光镊的出现，才真正实现原子的三维捕获（10-4K）
这项研究促进了玻色－爱因斯 坦凝聚的研究---2001年 诺贝 尔物理学奖——C.E.维曼， E.A.康奈尔，W.克特勒因发现 了“碱金属原子稀薄气体的玻 色-爱因斯坦凝聚”这一新的物 质状态,原子冷却达到了绝对零 度高0.5纳开尔文nK的温度。
铷原子速度的分布 玻色－爱因斯坦凝聚
实现原子复制
激光的宏观力学效应
世界上较大激光输出脉冲功率达1016w ; 聚焦强度达 8×1013W/cm2 ; 可产生亿度以上的高温, 能焊接、加工和 切割 最难熔的材料 世界上最高光压： 相应的电场强度可达 1021w/cm2 ; 相应的光压达 3×1011 大气压
为什么我们感受不到光的压力？
单个光子动量很小:
P

h

~ 1027 kg.m / s
普通光源的力学效应微乎其微！ 光子密度低，方向性差！ 实验观测和测量极其困难！
普通光源
为什么我们感受不到光的压力？
——因为普通光压太小
据估算，当太阳光垂直入射地球表面时，其光压 约为：p = 0.5 达因/平方米。
光与物体相互作用时彼此交换能量和动量.
光---动量--- 光压---力
2.光辐射压力—光压
17世纪，德国天文学家 开普勒就猜想彗星的尾 巴背向太阳是因为受到 太阳的辐射力。
2.光辐射压力—光压
J C Maxwell: “In a medium in which waves are propagated there is a pressure in the direction normal to the wave, and numerically equal to the energy contained in unit of volume”(1873)——(波在介质中 传播，其压力的方向沿波的传播方向，大 小等于单位体积波的能量)
达因：质量为1克的物体产生1厘米/秒2的加速度 所需要的力0.00001牛顿）
1达因/平方米是标准大气压的亿万分之一 。
1960年激光问世
-----高的光子流密度的激光束
第一台红宝石激光器组件
激光的特点：方向性好，高亮度
例如：10mw的 He-Ne 激光，亮度是太阳的一万倍！
对于一台光强呈高斯型分布，功率为10mw的氦氖激光器发射的激 光束，若光束发散角为2´，把激光聚焦到光学衍射极限光斑(约10-8 cm)，其单位面积的光功率密度将是太阳光的108倍，把一个1微米量 级的电介质小球置于此氦氖激光聚焦点处，小球将会受到106达因的 辐射压力，从而产生105g的加速度 (g为重力加速度)。
▲ 激光与宏观物体的相互作用 mm以上级别 ---激光加工/核聚变/激光武器
激光与微观粒子的相互作用
原子的激光冷却和捕陷 S. 朱棣文 ，C.C.达诺基， W.D.菲利浦斯 1997年 诺贝尔物理学奖
原子冷却——不停热运动的原子 速度(v =104~ 105cm/s)慢下来
原子的激光冷却—原理图
<大学物理>系列专题报告（二）
光的力学效应
—光镊原理及应用
朱艳英
2014.04.28
提纲
1.光的力学效应机理 2.光辐射压力——光压 3.激光的力学效应 （微观,介观,宏观） 4.光镊——光的力学效应的典型 5.光镊原理及应用
光的力学效应？ 光有力量吗？
从”光与物质 的相互作用” 说起……
有？没有？
从此，光的力学效应研究进入了一个全新的时代！
激光与普通灯光的比较
普通光源——自发辐射
激光——受激辐射
激发光放大 或光子复制
激光优点：高单色性，高亮度，相干性好。
3.激光的力学效应
▲ 激光与微观粒子的相互作用 ---原子/分子 nm 级别
▲ 激光与微小宏观(介观)粒子的相互作用 ---纳米/微米粒子 μm 级别
1.光的力学效应机理
光有波粒二向性——光既有波动性又有粒子性。 光的粒子性——光束可以看作是由一系列光子流组成。 每个光子携带有能量和动量（线性动量和角动量）,
光子能量： E hv hc / λ
(普朗克常量 h=6.63×10-34 J·s)
光子动量： P h / λ hν / c E / c
P N Lebedev was the first (1901) to measure the pressure of light, confirming predictions based on Maxwell’s equations. He was also the first to show that this pressure is twice as great for reflecting surfaces as for absorbing surfaces. (列别捷夫1901 年基于麦克斯韦方程组首次测量光压力，该压力 一部分从物体表面反射，一部分被物体表面吸收)
激光加工
激光打孔
激光切割
激光加工
激光快速成型
激光焊接
Laser fusion激光核聚变
(4 1
可
维原控
持子制
秒 ）
核 ： 点
地 在 高
火温
条下
件聚
合
亿 度
成 重
上海光机所神光Ⅱ号装置
反卫星激光武器
反卫星激光武器发射 的激光束，辐射强度高 ，能在空间、时间上， 将能量高度集中，具有 杀伤破坏作用。它的主 要杀伤作用是热效应， 即利用高温烧毁或重创 太空中的军用卫星。激 光束也有一定的冲击效 应，使卫星上的零部件 损坏或者偏离轨道。