光场的力学效应

1、2022-3-41课堂报告小组成员：XXXXXXXXXXXX2015年4月17日光场的力学效应2022-3-42我们知道，光有波粒二象性。考虑到光的粒子性，光子应具有动量什么是光力？光在传播过程中通常伴随着传播方向的改变，这意味着光子的动量发生了变化。根据动量守恒定律，上述过程中存在着光子和其他物体的动量交换。hp 写成矢量形式kp这说明，光与物质相互作用可以改变物体的动量，光场具有力学效应。2022-3-43早在十七世纪初，德国的天文学家开普勒就认识到了光辐射压力的存在，提出慧尾之所以背向太阳就是由于受到太阳辐射的作用力。1873 年，麦克斯韦根据电磁学理论证明了光可以产生辐射压力。光力的研

2、究历史2022-3-44但是，由于光辐射压力非常微弱，功率在毫瓦量级的光仅能产生皮牛量级的作用力，在很长一段时间里，人们无法在实验上验证光辐射压力的存在。直到1970年，贝尔实验室的 A. Ashkin 等人通过将激光高度聚焦形成激光微束，证明了光压可使微粒移动或逆着重力进行提升，成为了利用光压捕获粒子的先驱。光力的研究历史在此基础上，一项能够精确操控微纳粒子的新技术应运而生，这就是著名的“光学镊子”。光镊利用高度聚焦的激光束所形成的光学梯度力势阱来实现对微纳粒子的束缚与操控。2022-3-45光力与光学捕获散射力散射力光光力力 梯度力梯度力在实际情况中，微粒会对光场产生散射，一部分光子动量会

3、传递给微粒，微粒因此而受到的力即为散射力，表现为沿光传播方向的推力。当小球处于这样一个强度分布不均匀(即存在梯度)的光场中时，由于光的折射作用，小球将受到一个指向光场最强处的合力，这种由于光场强度分布不均匀而产生的力称之为梯度力。只有梯度力大于散射力，才能稳定捕获微粒。2022-3-46计算光力的模型射线模型射线模型光光力力计计算算模模型型 电磁模型电磁模型适用于米氏粒子适用于瑞利粒子对于其他粒子所受的光力，暂无合适的模型，只能通过最基本的方法在粒子区域内对麦克斯韦应力张量和电磁场动量密度做积分来计算。粒子较大，可将电磁波看成具有能量和动量的射线粒子较小，粒子被电磁波极化成偶极子，受洛仑兹力2

4、022-3-47隔空取物负向光力近年来，光学牵引力作为一种反物理直觉的现象受到大家的关注。AB利用梯度力：衰减模利用散射力：调制背景介质，放大动量2022-3-48cnhpMnchpAAbrahamMinkowski 那么，在介质中，光子动量和折射率的关系是什么呢？Minkowski 认为，光子动量和折射率成正比Abraham认为，光子动量和折射率成反比AbrahamMinkowski 争论持续了一百多年，在物理上，有很多实验和理论分析，对这两种动量各有支持。在光力相关文献中，使用Minkowski动量建立的模型与实验结果吻合得较好。Nature Photonics. 2013, 7(10):

5、787-790.2022-3-49光子不仅具有动量，还具有角动量。光子角动量与光力矩 zyzmxkykprLkp只考虑物体在x-y平面上转动的情况，则只有z方向的角动量是有用的。但是我们并不知道光子落在x-y平面的哪一点，因此，必须考虑光子落在x-y平面某一点的概率。 (,)( , )ddxyx ydxdy xykxky2022-3-410光子轨道角动量 2( , )( , )( , )V x yp x yV x ydxdy () ( , )zyxmxkykp x y dxdyh 22( , )( , )zV rrdrdmV rrdrdh考虑到场分布函数V(x,y)，这种概率密度分布可以表示为

6、我们实际观测到的是大量光子的统计平均考虑到V(x,y)可以写成 ，波矢可由相位的偏导数给出再进行一个坐标变换，将直角坐标系下的积分转换成极坐标系下的积分 ( , )( , ) expi ( , )V x yV x yx y2022-3-411拉盖尔高斯光束根据上面的推导，我们可以看出只有波前存在涡旋时，光子角动量的z分量才不为0，平面波和球面波显然是不满足这个条件的。拉盖尔高斯光束： 221/22222212222, ,exp(z)(z)1 expexp()exp( (21)tan)2RllplpRRCrrrurzLw zwwzzikr zziliplzzz l为拓扑荷数， 为拉盖尔高斯多项式

7、， 为螺旋相位项。lpLexp()ilp=5，l=22022-3-412涡旋光束的轨道角动量 22( , )exp()exp()nrV rArinvp=1，l=0,1,2,3 22( , )( , )zV rrdrdmV rrdrdh将拉盖尔高斯光束写成下列形式再带入到角动量z分量的表达式积分即可得到有意思的是，这恰恰是量子力学中角动量z分量本征值的表达式。nmz2022-3-413光子的自旋角动量与光波偏振态有着密切的联系。光子自旋角动量每个光子的自旋角动量在光传播方向上的投影，对于左旋圆偏振光为 ，而对于右旋圆偏振光为 。左旋和右旋圆偏振光是光的两种本征偏振状态，任意偏振光均可以表示为左旋

8、圆偏振光和右旋圆偏振光的叠加。上述推导是从经典的角动量概念出发的，在量子力学中，自旋是微观粒子的内禀属性，光子也不例外。光子的自旋并无经典的物理图像与之对应，如果强加一个经典解释，可以讲光子看成电矢量的旋转，按照经典角动量概念，圆偏振光自然存在光传播方向上的角动量。2022-3-414塞曼效应塞曼效应指原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象，这里我们只关心光谱的偏振特性。塞曼效应既可以从量子力学的观点诠释，又可以从经典物理的角度理解。原子由于磁矩的存在，在磁场中会受到力矩的作用力矩使原子的磁矩绕磁场方向进动，考虑到原子角动量的取向是量子化的，进动导致的附加能量可以写成加磁场加磁场2022-3-415塞曼效应在外磁场中，上下能级均获得附加能量而分裂，根据 ，谱线也将发生分裂。能级之间的跃迁需要满足以下选择的定则12EEhv 当M=0时，产生线，沿垂直于磁场方向观察时，线为光振动方向平行于磁场的线偏振光，沿平行于磁场方向观察时，光强度为零，观察不到。当M=1时，产生线，迎着磁场方向观察时，线为圆偏振光，M=+1时为左旋圆偏振光，M=-1时为右旋圆偏振光。沿垂直于磁场方向观察时，线为线偏振光，其电矢量与磁场垂直。2022-3-416圆偏振光对玻片的作用1936年，Beth首先观察到了圆偏振光产生的角动量。2000年，Nieminen小组推导出偏振光透过玻片后产生的微力矩。