張 羽,侯國華,劉志海,楊 軍,苑立波

(哈爾濱工程大學理學院,黑龍江哈爾濱150001)

光的力學效應實驗

張 羽,侯國華,劉志海,楊 軍,苑立波

(哈爾濱工程大學理學院,黑龍江哈爾濱150001)

當光輻射到物體上,由于動量的傳遞,光對被輻射物體施加力.采用光纖將激光束投射到水中的聚苯乙烯球上,已知光源功率及功率分布、微粒的平衡位置,可直接計算出微粒在當前物理環(huán)境下受到的光輻射壓力.

光輻射壓;光懸浮;力學效應

1 引 言

光纖技術在各種參量測量方面具有許多獨特的優(yōu)點[1-3],有廣闊的發(fā)展前景.光的力學效應實驗正是利用光纖的一些獨特優(yōu)點而設計的.因而,通過增設光的力學效應實驗,將這一現(xiàn)代光學技術進行廣泛的普及和滲透,不僅豐富了大學物理實驗的教學內(nèi)容,而且可以將學生所學的知識實現(xiàn)工程應用化,進一步調(diào)動學生學習大學物理的積極性,引導學生進入工程應用的前沿領域.

波動性和粒子性是光的2個基本屬性.光的力學效應實驗,無論是實驗原理、實驗內(nèi)容,還是實驗儀器、實驗方法,都很符合大學物理實驗的教學要求.光的力學效應實驗,以光具有動量這一基本物理原理為出發(fā)點,以光與物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生的力學效應為核心,直觀生動地展現(xiàn)出光的粒子性,使學生切實觀察、感受到光的力學效應以及這種效應的巨大應用前景,加深對光的粒子性這一基本物理事實的認識.實驗所包含的物理原理增強了學生對物理知識的感性認識,理論知識與基礎實驗相結(jié)合,不僅豐富了實驗內(nèi)容,而且培養(yǎng)了學生在實際操作方面的素質(zhì)與技能,具有更深的意義.

2 光輻射壓原理

2 . 1 光輻射壓力

所謂光的輻射壓,就是當光輻射到物體上時,由于動量的傳遞,光會對被輻射物體施加一定的壓力.

光的輻射壓可以從光的兩大基本屬性來加以定義.如果將光作為粒子來看待,那么光的輻射壓是源于光子所具有的動量;如果將光作為波來看待,那么光的輻射壓是指,用坡印亭矢量表示的電磁波與物體相互作用(包括反射、折射、吸收、散射、衍射)而產(chǎn)生的動量變化.

下面由以上理論,推導光的輻射壓公式.

光子的能量E和動量p為

其中h=6.626×10-34J·s為普朗克常量為頻率,k為波矢.

此外,麥克斯韋指出光的輻射壓與電磁波的能量密度相等,采用坡印亭矢量S可表示為

這是垂直入射的光束作用在完全吸收面上的壓力.對時間取平均得到輻射壓為

其中,I為光強度.

光的輻射壓施加給實際物體上的力F用入射光的功率P和作用力效率Q表示為其中,n1為周圍介質(zhì)的折射率,c為光速,P為光功率.

功率為P的光在折射率為n1的介質(zhì)中單位時間內(nèi)的動量為n1P/c,因此式(5)中的Q值是入射光具有的單位時間的動量與作用在物體上的力的比值,為無量綱常量,取值為0～2.該Q值依賴于光學條件(激光器聚光角、波長、光斑尺寸、偏振光、光束分布圖等)、微小物體條件(尺寸、形狀、折射率)和環(huán)境條件(水、空氣)等.

由于光的輻射壓的存在,處于激光束中的微小物體一般會沿著光的傳播方向運動.根據(jù)上面的論述,可以估算出,當太陽垂直入射時,地球表面的光壓約為0.5×10-5N/m2.該輻射壓與日常經(jīng)驗的力相比較是很小的,根本感覺不到它的存在.直到20世紀60年代,激光的出現(xiàn)使得對光輻射壓力進行研究成為可能[4-7].

2.2 系統(tǒng)原理

本實驗利用光纖將激光束投射到水中的聚苯乙烯球上,聚苯乙烯球所受的力如圖1所示.調(diào)節(jié)激光器的光功率使得輻射壓力與重力平衡,實現(xiàn)微粒的光懸浮,測量光的輻射壓力與光功率之間的關系.

圖1 實驗原理圖

沿z軸傳播的基模高斯光束[8]可表達為

實驗班開展的最終目的是培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的優(yōu)秀人才，各地方高校也應結(jié)合自身學校教育資源和專業(yè)特色，研發(fā)具有本校辦學特點的教學課程，而不是盲目模仿，在實驗班教學資源質(zhì)量的把控上，可采取校、院、系三層的管理體制，其中涵蓋了對教學計劃質(zhì)量管理、教學運行過程中的質(zhì)量管理、教師教學質(zhì)量管理和學生學習質(zhì)量管理等多個方面。從而能夠讓實驗班能夠真正成為學校改革創(chuàng)新的驅(qū)動力，合理配置教育資源，在保證全校教育的基礎上，有針對性地對實驗班配備更多具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神的優(yōu)秀教師。

由此可得光源功率與平衡位置z間的變化規(guī)律.

因此,在已知光源功率及功率分布、微粒的平衡位置的情況下,可直接計算出微粒在當前物理環(huán)境下所受到的光輻射壓力.

3 實驗與結(jié)果

實驗儀器裝置如圖2所示.樣品位移臺與樣品池放大圖如圖3所示.

圖2 儀器裝置圖

圖3 樣品位移臺與樣品池示意圖

實驗過程如下:

1)打開激光源的電源,調(diào)節(jié)激光功率為10 mW;

2)用滴管向樣品池內(nèi)注入純凈水;

3)調(diào)節(jié)樣品池位置及顯微鏡焦距,使光纖成像于視野中;

5)將聚苯乙烯球懸浮液滴于位移管中;

6)待聚苯乙烯球出現(xiàn)于視野中,調(diào)節(jié)位移管的位置,使1個微球恰好處于光纖出射光束中;

7)由于光的輻射壓作用,處于光束中的聚苯乙烯球?qū)腋∮谒?

8)改變光功率大小,聚苯乙烯球懸浮于不同的位置,記錄下光功率值及對應的位置;

9)描繪出入射光功率與平衡位置的關系曲線,計算出光的輻射壓力.

圖4為實驗測得的入射光功率與微粒的平衡位置的關系曲線.

圖4 入射光功率與平衡位置關系曲線

4 結(jié)束語

本文從開拓大學物理實驗內(nèi)容的角度出發(fā),將光的力學效應實驗引入到大學物理實驗教學中.通過對大學物理實驗內(nèi)容的更新與拓展,突出了物理學原理——光的力學效應在技術應用方面,尤其是微觀領域方面的應用,體現(xiàn)了物理實驗教學課程的新技術特色.使學生對物理中的理論知識得到更深層次的理解,使學生的理論知識與實驗技能相互補充、相互印證,達到感性認識與理性認識兩個認識過程的互動,培養(yǎng)學生的綜合能力與創(chuàng)造性.

[1] Leung A,Shankar P M,Mutharasan R.A review of fiber-optic biosensors[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2007,125(2):688-703.

[2] Liu Zhihai,Guo Chengkai,Yang Jun,et al.Single tapered fiber optical tweezers[A].Proceedings of SPIE[C].2007,6534:161-166.

[3] Zhang Yu,Wu Zhongfu,Liu Zhihai,et al.Manipulating multi-particles simultaneously with a tapered-tip single fiber optical tweezers[A].Proceedings of SPIE[C].2009,7280:2L1-2L8.

[4] Ashkin A.Acceleration and trapping of particles by radiation pressure[J].Physical Review Letters, 1970,24(4):156-159.

[5] Ashkin A,Dziedzic J M,Bjorkholm J E,et al.Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles[J].Optics Letters,1986,11 (5):288-290.

[6] 李銀妹.光的力學效應及光阱力的測量[J].物理實驗,2003,23(1):13-17.

[7] Liu Zhihai,Guo Chengkai,Yang Jun,et al.Tapered fiber optical tweezers for microscopic particle trapping:fabrication and application[J].Optics Express,2006,14(25):12 510-12 516.

[8] 周炳琨.激光原理[M].北京:國防工業(yè)出版社, 1995:64-66.

Experiment of mechanical effects of light

ZHANG Yu,HOU Guo-hua,LIU Zhi-hai,YANGJun,YUAN Li-bo
(College of Science,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

When exposed to electromagnetic radiation,light pressure will be exerted upon the surface of an object because of momentum transfer.In this experiment,laser beams are projected on a polystyrene ball in water through optical fiber,the radiation pressure can be calculated directly when the power,power distribution,and equilibrium position of particles are given.

radiation pressure;light suspension;mechanical effect of light

O432

A

1005-4642(2010)10-0008-03

[責任編輯:任德香]

“第6屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文

2010-06-18;修改日期:2010-07-29

張 羽(1980-),女,吉林省吉林市人,哈爾濱工程大學理學院講師,博士研究生,從事光纖生物傳感技術研究.