光場的力學效應

1、2022-3-41課堂報告小組成員：XXXXXXXXXXXX2015年4月17日光場的力學效應2022-3-42我們知道，光有波粒二象性?？紤]到光的粒子性，光子應具有動量什么是光力？光在傳播過程中通常伴隨著傳播方向的改變，這意味著光子的動量發(fā)生了變化。根據(jù)動量守恒定律，上述過程中存在著光子和其他物體的動量交換。hp 寫成矢量形式kp這說明，光與物質相互作用可以改變物體的動量，光場具有力學效應。2022-3-43早在十七世紀初，德國的天文學家開普勒就認識到了光輻射壓力的存在，提出慧尾之所以背向太陽就是由于受到太陽輻射的作用力。1873 年，麥克斯韋根據(jù)電磁學理論證明了光可以產(chǎn)生輻射壓力。光力的研

2、究歷史2022-3-44但是，由于光輻射壓力非常微弱，功率在毫瓦量級的光僅能產(chǎn)生皮牛量級的作用力，在很長一段時間里，人們無法在實驗上驗證光輻射壓力的存在。直到1970年，貝爾實驗室的 A. Ashkin 等人通過將激光高度聚焦形成激光微束，證明了光壓可使微粒移動或逆著重力進行提升，成為了利用光壓捕獲粒子的先驅。光力的研究歷史在此基礎上，一項能夠精確操控微納粒子的新技術應運而生，這就是著名的“光學鑷子”。光鑷利用高度聚焦的激光束所形成的光學梯度力勢阱來實現(xiàn)對微納粒子的束縛與操控。2022-3-45光力與光學捕獲散射力散射力光光力力 梯度力梯度力在實際情況中，微粒會對光場產(chǎn)生散射，一部分光子動量會

3、傳遞給微粒，微粒因此而受到的力即為散射力，表現(xiàn)為沿光傳播方向的推力。當小球處于這樣一個強度分布不均勻(即存在梯度)的光場中時，由于光的折射作用，小球將受到一個指向光場最強處的合力，這種由于光場強度分布不均勻而產(chǎn)生的力稱之為梯度力。只有梯度力大于散射力，才能穩(wěn)定捕獲微粒。2022-3-46計算光力的模型射線模型射線模型光光力力計計算算模模型型 電磁模型電磁模型適用于米氏粒子適用于瑞利粒子對于其他粒子所受的光力，暫無合適的模型，只能通過最基本的方法在粒子區(qū)域內對麥克斯韋應力張量和電磁場動量密度做積分來計算。粒子較大，可將電磁波看成具有能量和動量的射線粒子較小，粒子被電磁波極化成偶極子，受洛侖茲力2

4、022-3-47隔空取物負向光力近年來，光學牽引力作為一種反物理直覺的現(xiàn)象受到大家的關注。AB利用梯度力：衰減模利用散射力：調制背景介質，放大動量2022-3-48cnhpMnchpAAbrahamMinkowski 那么，在介質中，光子動量和折射率的關系是什么呢？Minkowski 認為，光子動量和折射率成正比Abraham認為，光子動量和折射率成反比AbrahamMinkowski 爭論持續(xù)了一百多年，在物理上，有很多實驗和理論分析，對這兩種動量各有支持。在光力相關文獻中，使用Minkowski動量建立的模型與實驗結果吻合得較好。Nature Photonics. 2013, 7(10):

5、787-790.2022-3-49光子不僅具有動量，還具有角動量。光子角動量與光力矩 zyzmxkykprLkp只考慮物體在x-y平面上轉動的情況，則只有z方向的角動量是有用的。但是我們并不知道光子落在x-y平面的哪一點，因此，必須考慮光子落在x-y平面某一點的概率。 (,)( , )ddxyx ydxdy xykxky2022-3-410光子軌道角動量 2( , )( , )( , )V x yp x yV x ydxdy () ( , )zyxmxkykp x y dxdyh 22( , )( , )zV rrdrdmV rrdrdh考慮到場分布函數(shù)V(x,y)，這種概率密度分布可以表示為

6、我們實際觀測到的是大量光子的統(tǒng)計平均考慮到V(x,y)可以寫成 ，波矢可由相位的偏導數(shù)給出再進行一個坐標變換，將直角坐標系下的積分轉換成極坐標系下的積分 ( , )( , ) expi ( , )V x yV x yx y2022-3-411拉蓋爾高斯光束根據(jù)上面的推導，我們可以看出只有波前存在渦旋時，光子角動量的z分量才不為0，平面波和球面波顯然是不滿足這個條件的。拉蓋爾高斯光束： 221/22222212222, ,exp(z)(z)1 expexp()exp( (21)tan)2RllplpRRCrrrurzLw zwwzzikr zziliplzzz l為拓撲荷數(shù)， 為拉蓋爾高斯多項式

7、， 為螺旋相位項。lpLexp()ilp=5，l=22022-3-412渦旋光束的軌道角動量 22( , )exp()exp()nrV rArinvp=1，l=0,1,2,3 22( , )( , )zV rrdrdmV rrdrdh將拉蓋爾高斯光束寫成下列形式再帶入到角動量z分量的表達式積分即可得到有意思的是，這恰恰是量子力學中角動量z分量本征值的表達式。nmz2022-3-413光子的自旋角動量與光波偏振態(tài)有著密切的聯(lián)系。光子自旋角動量每個光子的自旋角動量在光傳播方向上的投影，對于左旋圓偏振光為 ，而對于右旋圓偏振光為 。左旋和右旋圓偏振光是光的兩種本征偏振狀態(tài)，任意偏振光均可以表示為左旋

8、圓偏振光和右旋圓偏振光的疊加。上述推導是從經(jīng)典的角動量概念出發(fā)的，在量子力學中，自旋是微觀粒子的內稟屬性，光子也不例外。光子的自旋并無經(jīng)典的物理圖像與之對應，如果強加一個經(jīng)典解釋，可以講光子看成電矢量的旋轉，按照經(jīng)典角動量概念，圓偏振光自然存在光傳播方向上的角動量。2022-3-414塞曼效應塞曼效應指原子的光譜線在外磁場中出現(xiàn)分裂的現(xiàn)象，這里我們只關心光譜的偏振特性。塞曼效應既可以從量子力學的觀點詮釋，又可以從經(jīng)典物理的角度理解。原子由于磁矩的存在，在磁場中會受到力矩的作用力矩使原子的磁矩繞磁場方向進動，考慮到原子角動量的取向是量子化的，進動導致的附加能量可以寫成加磁場加磁場2022-3-415塞曼效應在外磁場中，上下能級均獲得附加能量而分裂，根據(jù) ，譜線也將發(fā)生分裂。能級之間的躍遷需要滿足以下選擇的定則12EEhv 當M=0時，產(chǎn)生線，沿垂直于磁場方向觀察時，線為光振動方向平行于磁場的線偏振光，沿平行于磁場方向觀察時，光強度為零，觀察不到。當M=1時，產(chǎn)生線，迎著磁場方向觀察時，線為圓偏振光，M=+1時為左旋圓偏振光，M=-1時為右旋圓偏振光。沿垂直于磁場方向觀察時，線為線偏振光，其電矢量與磁場垂直。2022-3-416圓偏振光對玻片的作用1936年，Beth首先觀察到了圓偏振光產(chǎn)生的角動量。2000年，Nieminen小組推導出偏振光透過玻片后產(chǎn)生的微力矩。