最新光的力学效应-光镊原理及应用--《大学物理》系列讲座幻灯片.ppt

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1、光的力学效应-光镊原理及应用--《大学物理》系列讲座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.光镊原理及应用提纲光的力学效应？光有力量吗？光子与物体的相互作用从”光与物质的相互作用”说起……有？没有？2.光辐射压力—光压JCMaxwell:“Inamediuminwhichwavesarepropagatedthereisapressureinthedirectionnormaltothewave,andnumericallyequaltotheenergycontainedinunitofvolume”(1

2、873)——(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)PNLebedevwasthefirst(1901)tomeasurethepressureoflight,confirmingpredictionsbasedonMaxwell’sequations.Hewasalsothefirsttoshowthatthispressureistwiceasgreatforreflectingsurfacesasforabsorbingsurfaces.(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)单

3、个光子动量很小: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！为什么我们感受不到光的压力？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。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。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10-8cm)，其单位面积

4、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)。从此，光的力学效应研究进入了一个全新的时代！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与普通灯光的比较普通光源——自发辐射激光——受激辐射激光优点：高单色性，高亮度，相干性好。激发光放大或光子复制▲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▲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3.激

5、光的力学效应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年诺贝尔物理学奖激光与微观粒子的相互作用原子冷却——不停热运动的原子速度(v=104~105cm/s)慢下来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—原理图激光扫频法：(FrequencyChirping)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。这种方法在使用中得到了发展，成功地将原子束减速。原子的激光冷却—实验装置图朱棣文1985年所用的仪器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

6、尔文(K)。1986年光镊的出现，才真正实现原子的三维捕获（10-4K）激光与微观粒子的相互作用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×

7、1011大气压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Laserfusion激光核聚变可控制地在高温下聚合成重原子核：点火条件(4亿度维持1秒）上海光机所神光Ⅱ号装置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。反卫星激光武器反卫星激光武器是一种远程战略激光武器光镊——单光束梯度力光阱1986A.As