光場(chǎng)的力學(xué)效應(yīng)

2023/2/11課堂報(bào)告小組成員：XXXXXXXXXXXX2015年4月17日光場(chǎng)的力學(xué)效應(yīng)2023/2/12我們知道，光有波粒二象性。考慮到光的粒子性，光子應(yīng)具有動(dòng)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(dòng)量發(fā)生了變化。根據(jù)動(dòng)量守恒定律，上述過程中存在著光子和其他物體的動(dòng)量交換。寫成矢量形式這說明，光與物質(zhì)相互作用可以改變物體的動(dòng)量，光場(chǎng)具有力學(xué)效應(yīng)。2023/2/13早在十七世紀(jì)初，德國的天文學(xué)家開普勒就認(rèn)識(shí)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(xué)理論證明了光可以產(chǎn)生輻射壓力。光力的研究歷史2023/2/14但是，由于光輻射壓力非常微弱，功率在毫瓦量級(jí)的光僅能產(chǎn)生皮牛量級(jí)的作用力，在很長一段時(shí)間里，人們無法在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證光輻射壓力的存在。直到1970年，貝爾實(shí)驗(yàn)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(dòng)或逆著重力進(jìn)行提升，成為了利用光壓捕獲粒子的先驅(qū)。光力的研究歷史在此基礎(chǔ)上，一項(xiàng)能夠精確操控微納粒子的新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這就是著名的“光學(xué)鑷子”。光鑷?yán)酶叨染劢沟募す馐纬傻墓鈱W(xué)梯度力勢(shì)阱來實(shí)現(xiàn)對(duì)微納粒子的束縛與操控。2023/2/15光力與光學(xué)捕獲散射力光力

梯度力在實(shí)際情況中，微粒會(huì)對(duì)光場(chǎng)產(chǎn)生散射，一部分光子動(dòng)量會(huì)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(dāng)小球處于這樣一個(gè)強(qiáng)度分布不均勻(即存在梯度)的光場(chǎng)中時(shí)，由于光的折射作用，小球?qū)⑹艿揭粋€(gè)指向光場(chǎng)最強(qiáng)處的合力，這種由于光場(chǎng)強(qiáng)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。2023/2/16計(jì)算光力的模型射線模型光力計(jì)算模型

電磁模型適用于米氏粒子適用于瑞利粒子對(duì)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(nèi)對(duì)麥克斯韋應(yīng)力張量和電磁場(chǎng)動(dòng)量密度做積分來計(jì)算。粒子較大，可將電磁波看成具有能量和動(dòng)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2023/2/17隔空取物——負(fù)向光力近年來，光學(xué)牽引力作為一種反物理直覺的現(xiàn)象受到大家的關(guān)注。AB利用梯度力：衰減模利用散射力：調(diào)制背景介質(zhì)，放大動(dòng)量2023/2/18Abraham–Minkowski那么，在介質(zhì)中，光子動(dòng)量和折射率的關(guān)系是什么呢？Minkowski認(rèn)為，光子動(dòng)量和折射率成正比Abraham認(rèn)為，光子動(dòng)量和折射率成反比Abraham–Minkowski爭(zhēng)論持續(xù)了一百多年，在物理上，有很多實(shí)驗(yàn)和理論分析，對(duì)這兩種動(dòng)量各有支持。在光力相關(guān)文獻(xiàn)中，使用Minkowski動(dòng)量建立的模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好。NaturePhotonics.2013,7(10):787-790.2023/2/19光子不僅具有動(dòng)量，還具有角動(dòng)量。光子角動(dòng)量與光力矩只考慮物體在x-y平面上轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，則只有z方向的角動(dòng)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(diǎn)，因此，必須考慮光子落在x-y平面某一點(diǎn)的概率。2023/2/110光子軌道角動(dòng)量考慮到場(chǎng)分布函數(shù)V(x,y)，這種概率密度分布可以表示為我們實(shí)際觀測(cè)到的是大量光子的統(tǒng)計(jì)平均考慮到V(x,y)可以寫成，波矢可由相位的偏導(dǎo)數(shù)給出再進(jìn)行一個(gè)坐標(biāo)變換，將直角坐標(biāo)系下的積分轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)系下的積分2023/2/111拉蓋爾—高斯光束根據(jù)上面的推導(dǎo)，我們可以看出只有波前存在渦旋時(shí)，光子角動(dòng)量的z分量才不為0，平面波和球面波顯然是不滿足這個(gè)條件的。拉蓋爾——高斯光束：

l為拓?fù)浜蓴?shù)，為拉蓋爾高斯多項(xiàng)式，為螺旋相位項(xiàng)。p=5，l=22023/2/112渦旋光束的軌道角動(dòng)量p=1，l=0,1,2,3將拉蓋爾—高斯光束寫成下列形式再帶入到角動(dòng)量z分量的表達(dá)式積分即可得到有意思的是，這恰恰是量子力學(xué)中角動(dòng)量z分量本征值的表達(dá)式。2023/2/113光子的自旋角動(dòng)量與光波偏振態(tài)有著密切的聯(lián)系。光子自旋角動(dòng)量每個(gè)光子的自旋角動(dòng)量在光傳播方向上的投影，對(duì)于左旋圓偏振光為，而對(duì)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圓偏振光和右旋圓偏振光的疊加。上述推導(dǎo)是從經(jīng)典的角動(dòng)量概念出發(fā)的，在量子力學(xué)中，自旋是微觀粒子的內(nèi)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(duì)應(yīng)，如果強(qiáng)加一個(gè)經(jīng)典解釋，可以講光子看成電矢量的旋轉(zhuǎn)，按照經(jīng)典角動(dòng)量概念，圓偏振光自然存在光傳播方向上的角動(dòng)量。2023/2/114塞曼效應(yīng)塞曼效應(yīng)指原子的光譜線在外磁場(chǎng)中出現(xiàn)分裂的現(xiàn)象，這里我們只關(guān)心光譜的偏振特性。塞曼效應(yīng)既可以從量子力學(xué)的觀點(diǎn)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(chǎng)中會(huì)受到力矩的作用力矩使原子的磁矩繞磁場(chǎng)方向進(jìn)動(dòng)，考慮到原子角動(dòng)量的取向是量子化的，進(jìn)動(dòng)導(dǎo)致的附加能量可以寫成加磁場(chǎng)2023/2/115塞曼效應(yīng)在外磁場(chǎng)中，上下能級(jí)均獲得附加能量而分裂，根據(jù)，譜線也將發(fā)生分裂。能級(jí)之間的躍遷需要滿足以下選擇的定則當(dāng)ΔM=0時(shí)，產(chǎn)生π線，沿垂直于磁場(chǎng)方向觀察時(shí)，π線為光振動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)的線偏振光，沿平行于磁場(chǎng)方向觀察時(shí)，光強(qiáng)度為零，觀察不到。當(dāng)ΔM=±1時(shí)，產(chǎn)生σ線，迎著磁場(chǎng)方向觀察時(shí)，σ線為圓偏振光，ΔM=+1時(shí)為左旋圓偏振光，ΔM=-1時(shí)為右旋圓偏振光。沿垂直于磁場(chǎng)方向觀察時(shí)，σ線為線偏振光，其電矢量與磁場(chǎng)垂直。2023/2/116圓偏振光對(duì)玻片的作用1936年，Beth首先觀察到了圓偏振光產(chǎn)生的角動(dòng)量。2000年，Nieminen小組推導(dǎo)出偏振光透過玻片后產(chǎn)生的微力矩。為了簡(jiǎn)單起見，下面討