光鑷知識

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

　　光與物質(zhì)間可以交換動量，使受光照射的物體受到一個力或力矩，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，而且具有動量。

　　對于單色平面光波，設(shè)其電磁場能量密度為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)

　　而動量密度(單位體積的光場攜帶的動量)為

　　g=u/c，(方向沿光的傳播方向或波矢的方向)

　　單位時間流過垂直光傳播方向單位面積的動量為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，其中每一個光子所攜帶的能量ε=V，動量為：

　　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，也即光場的能量密度為u=ε，于是動量密度

　　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量為

　　g=E/c

　　既然光具有動量，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間內(nèi)物體動量的變化光與物體相互作用的過程中就可能伴隨有動量的交換。單位時間里物體動量的變化就是所受的力，這意味著光對被照物體施加一個力的作用。這種由于光輻射對物體產(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,其動量變化為Δp,歷經(jīng)時間t秒,則物體得到的動量為-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特別的光場，這個光場與物體相互作用時，物體整個受到光的作用從而達(dá)到被鉗的效果，然后可以通過移動光束來實現(xiàn)遷移物體的目的。如果以形成光場的中心劃定一個幾微米方圓的區(qū)域，你將會觀察到一旦光子涉足這個禁 區(qū)就會自動迅速墜落光的中心，表現(xiàn)出這個光場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，光鑷又酷似一個陷阱。這個特別的光場造就了一個勢能較低的區(qū)域(碗底)，即從這區(qū)域內(nèi)到區(qū)域外存在一個勢壘(碗壁)。當(dāng)物體的動能不足以克服勢壘時，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無形的機(jī)械手，這個看不見的機(jī)械手將按照您的意志形自如地控制目標(biāo)粒子。

　　對于一臺光強(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,若把該光束會聚到微米量級,由上述方法可計算出,在光束中心可產(chǎn)生106達(dá)因/ 平方米的輻射壓力,如果把一個微米量級的電介小球置于此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力學(xué)的開發(fā)應(yīng)用成為可能。