光的辐射压力和其应用

[摘要]光照射物体时,由于电磁波具有能量,也有动量,所以,在物体表面形成反射和吸收,同

时会对表面形成压力作用,成为光压.通过激光的引进,使得光压效应在现实应用中有了很大的作用,特别是科学研究中.

[关键词] 光;光压;光镊效应;动量密度

光的辐射压力的产生的物理解释

(一) 从电磁波的角度 ①

电荷受电磁场的作用力作用力密度,则:f=ρE+J×B.电荷系统受力作用后,它的动量发生变化。由动量守恒定律,电磁场的动量也应该相应地改变。上式左边等于电荷系统的动量密度变化率和表示场内动量转移的一些量。为此,我们用麦克斯韦方程把上式右边完全用场量表出。

由真空中的方程:

ρ=ε0·E, J=1/μ0 ×B--ε0 E/t，可以把方程f=ρE+J×B化为 f=ε0 ( ×B)×B-ε0E /t×B, ·E)E+1/μ0 ( 利用另外两个麦克斯韦方程: ·B=0,  ×E=- B/t可得f=[ε0 ( ·E)E+1/μ0 ( ·B)B+1/μ0

( ×E)×E]- ε0(E×B) ×B)×B+ε0 (

t

由于f等于电荷系统的动量密度改变率,因此若把上式解释为动量守恒定律,则右边最后一项撤去负号后应该代表电磁场的动量密度改变率。

因此若电磁场的动量密度为g,则g=ε0E×B动量密度和能流密度s的关系式为:

1g=ε0E×B=μ0ε0E×H= 2 S

C1因此对平面电磁波,有B= 2 n×E n为传播方向的单位矢量,由于s=cwn， w为能量密度,

C因此g=w/cn入射电磁波在物体面元为△s处反射过程中电磁波的动量密度改变量为△g。 则:△g= 2 (s反-s入),△g=△p/△sc△t,

1C△p为电磁波动量的改变量△p=△g·△s·c△t= (s反-s入)△s△t,而△p=△F·△t,则△F=

1C(s反-s入)△s.其中△F·△t为电磁波所受冲量,△F为电磁波所受力。

所以,由电磁波与物体间相互作用可知,电磁波入射于物体上时也会对物体施加一定的压力△F′,△F′= (s反-s入)△s,若s反与s入方向相反,则:辐射压力P= (s入+s反).光是一种电磁波,当光线照射在物体上时,它对物体也会施加压力称为光压。如果被照射面的反射率是100%,则s反=s入,正入射的光压为P=2/cs入=2/cEH. 再如果被照射面全部吸收(绝对黑体),则s反=0,正入射的光压为P=1/cEH.

(二) 从光的粒子角度②

从光子的观点来看,光压的产生是由于光子把它的动量传给物体的结果。设频率为ν的单色光垂直入射到壁上,每单位面积的光通量为Φ,单位时间内落到单位面积上的光子数N由下式决定:N·hν=Φ每个光子具有动量hν/c,所以在刚要撞壁面之前,这一群光子的总动量Nhν/c=Φ/c。如果壁的反射系数为ρ,即ρN个光子被反射,这一部分光子被反射后的动量将变成-ρΦ/c,它们在碰撞过程中,动量变化总值为ρΦ/c-(-ρΦ/c)=2ρΦ/c;余下来的(1-ρ)N个光子被壁所吸收,它们在碰撞过程中动量变化总值为(1-ρ)Φc,所以这一束入射光子总动量的变化,即2ρΦ/c+(1-ρ)Φ/c=(1+ρ)Φ/c,这就是它们在单位时间内传递给单位面积壁面的动量,也就是所求的光压。

1C1c

光压效应的实际意义

在一般光波,辐射压力是不大的,例如距一个百万烛光的光源一米远的镜面上,受到可见光的光压只有10-5牛顿/米2,所以一般很难观察到,也不起什么作用。光压只有在两个从尺度上看截然相反的领域内起到重要的作用。

一是在原子物理中,最著名现象是光在电子上散射时与电子交换动量,即康普顿效应。另一是在天体物理中,对天文领域光压力起着重要的作用。光压力在星球内部可以和万有引力相抗衡,从而对星球构造和发展起着重要作用。③

但是由于激光的高亮度，和很好的方向性，能把能量集中在一个很小的区域，从而导致了光的压力明显比一般光大,使光的压力效应有了实际应用的可能行.医学中,通过高度聚焦的高斯激光形成的指向光束焦点处的梯度力,来形成一梯度力光阱,可使落在光束里面的微小颗粒束缚于阱内.随着光束的运动,可实现对该粒子的搬运,翻转,空间悬浮.换一句话来说,就是其作用像一非机械接触性的镊子,所以又称光镊子④.其原理如图1所示.

入射光线A将光子的动量以辐射压的形式作用于粒子小 球,力的作用方向与光线入射方向相同。A经过若干反射、

A 折射后,以光线A′出射。入射光线的辐射压减去出射光线 的辐射压为粒子小球所受的净剩力FA。图1(b)为作用力简 图,实际力的作用过程较此复杂,A′应为所有(包括反射光 透射光)出射光线辐射压的合力,但结果与此相似,小球受轴 向指向焦点的力。⑤

A’FA (b) A’A A’(a) A FA 光镊系统的构成

光镊系统通常由激光光源、激光扩束滤波光路、

光镊移动控制环节、位移检测部分和传统的光 学显微镜组成。系统结构图如图3所示。

图中实线表示激光光镊光路,虚线为照明和

成像光路。透镜L1和L2组成激光扩束部分, 透镜L3为显微镜,载物台放检测物体.⑥

图1 单光束粒子阱的几何光学原理图 图2. 光镊系统结构图

光镊效应的应用⑦

1.研究生物大分子的静态力学特性.

通过光镊D对单分子进行扭转、弯曲、拉伸等操作,研究其力学特性。例如: Bustmante

⑧等作了单个DNA的非线性弹性拉伸应变的静力学特性研究为研究单个DNA分子构型提

供了进一步的实验基础。 2.研究生物大分子的动力学特性

科学家利用光镊观察到了生命活动的元过程,发现了分子马达是以步进方式运动,并且测量了其在运动步长、单个驱动蛋白分子产生的力以及单个驱动蛋白的速度与ATP浓度的函数关系。例如K.Svoboda等用光镊结合干涉位移探测技术观察到动力蛋白(kinesin)

的步进方式运动并测量了步长。⑨

3.纳米级别操作识别小分子

光镊由于径向尺寸很小,产生的势阱与分子布朗运动的能量相近,所以直接俘获长链大分子是很困难的。在分子链上接上一个玻璃或塑料小球作为“把手”,用光镊俘获小球,通过操作小球来操作大分子,这种方法很有效。“Kuo等用小球手柄附着于细胞表面,用光镊向外拉动小球使细胞膜突出细的尖足,它们称之为“新足”,并认为这种方法可用来研究细胞骨架元的动态重构。“⑤

4.分子水平上的特异性识别和生命过程的的认识

光镊的纳米量级的操作精度和观测精度,⑤使得对研究对象的定位精度达到了分子尺度,使人们能够在纳米精度上实时动态研究细胞的特异性分子识别。

结束语

光镊技术自从1986年问世以来发展迅速,其操作和检测的精度已从μm量级发展到nm量级⑤,是开展分子生物学、细胞生物学等生命科学及介观物理学、微机电系统研究的有力手段,在本世纪初已得到了进一步发展和更加广泛的应用。

[参考文献]

1.郭硕鸿 <电动力学第二版> 高等教育出版社

2. 赵长海 <浅议电磁波的动量及其辐射压力> 中国期刊网优秀硕士学位论文全文数据库 3. 郭硕鸿 <电动力学第二版> 高等教育出版社 4. 陈亚珠，黄耀雄 <医学物理学> 高等教育出版社

5. 姚建铨,安源 <光镊技术的发展与应用> 中国期刊网优秀硕士学位论文全文数据库

6. R M Simmons,J T Finer,S Chu,et al. ProQuest学位论文全文库（国外论文）

7. 葛剑徽 <光镊技术的原理及应用> 中国期刊网优秀硕士学位论文全文数据库

8. C Bustamante,S Smith,J Liphardt,et al. ProQuest学位论文全文库（国外论文）

9. K Svoboda,C F Schmidt,B J Schnapp,et al. ProQuest学位论文全文库

（国外论文）