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1、光的力學效應-光鑷原理及應用--《大學物理》系列講座1.光的力學效應機理2.光輻射壓力——光壓3.激光的力學效應（微觀,介觀,宏觀）4.光鑷——光的力學效應的典型5.光鑷原理及應用提綱光的力學效應？光有力量嗎？光子與物體的相互作用從”光與物質的相互作用”說起……有？沒有？2.光輻射壓力—光壓JCMaxwell:“Inamediuminwhichwavesarepropagatedthereisapressureinthedirectionnormaltothewave,andnumericallyequaltotheenergycontainedinunitofvolume”(1
2、873)——(波在介質中傳播，其壓力的方向沿波的傳播方向，大小等于單位體積波的能量)PNLebedevwasthefirst(1901)tomeasurethepressureoflight,confirmingpredictionsbasedonMaxwell’sequations.Hewasalsothefirsttoshowthatthispressureistwiceasgreatforreflectingsurfacesasforabsorbingsurfaces.(列別捷夫1901年基于麥克斯韋方程組首次測量光壓力，該壓力一部分從物體表面反射，一部分被物體表面吸收)單
3、個光子動量很小:普通光源的力學效應微乎其微！光子密度低，方向性差！實驗觀測和測量極其困難！為什么我們感受不到光的壓力？普通光源為什么我們感受不到光的壓力？——因為普通光壓太小據(jù)估算，當太陽光垂直入射地球表面時，其光壓約為：p=0.5達因/平方米。達因：質量為1克的物體產生1厘米/秒2的加速度所需要的力0.00001牛頓）1達因/平方米是標準大氣壓的億萬分之一。激光的特點：方向性好，高亮度例如：10mw的He-Ne激光，亮度是太陽的一萬倍！對于一臺光強呈高斯型分布，功率為10mw的氦氖激光器發(fā)射的激光束，若光束發(fā)散角為2′，把激光聚焦到光學衍射極限光斑(約10-8cm)，其單位面積
4、的光功率密度將是太陽光的108倍，把一個1微米量級的電介質小球置于此氦氖激光聚焦點處，小球將會受到106達因的輻射壓力，從而產生105g的加速度(g為重力加速度)。從此，光的力學效應研究進入了一個全新的時代！1960年激光問世-----高的光子流密度的激光束第一臺紅寶石激光器組件激光與普通燈光的比較普通光源——自發(fā)輻射激光——受激輻射激光優(yōu)點：高單色性，高亮度，相干性好。激發(fā)光放大或光子復制▲激光與微觀粒子的相互作用---原子/分子nm級別▲激光與微小宏觀(介觀)粒子的相互作用---納米/微米粒子μm級別▲激光與宏觀物體的相互作用mm以上級別---激光加工/核聚變/激光武器3.激
5、光的力學效應原子的激光冷卻和捕陷S.朱棣文，C.C.達諾基，W.D.菲利浦斯1997年諾貝爾物理學獎激光與微觀粒子的相互作用原子冷卻——不停熱運動的原子速度(v=104~105cm/s)慢下來六束各向同性激光輻射與具有熱速度分布原子氣體冷卻原子的激光冷卻—原理圖激光掃頻法：(FrequencyChirping)基本思想是讓冷卻激光的頻率連續(xù)跟隨原子多普勒頻移的變化，持續(xù)保持共振。這種方法在使用中得到了發(fā)展，成功地將原子束減速。原子的激光冷卻—實驗裝置圖朱棣文1985年所用的儀器1985年，朱棣文用兩種不同的方法(二維光學勢阱和磁光量子阱)實現(xiàn)原子冷卻，溫度冷卻到2.4×10-4開
6、爾文(K)。1986年光鑷的出現(xiàn)，才真正實現(xiàn)原子的三維捕獲（10-4K）激光與微觀粒子的相互作用這項研究促進了玻色－愛因斯坦凝聚的研究---2001年諾貝爾物理學獎——C.E.維曼，E.A.康奈爾，W.克特勒因發(fā)現(xiàn)了“堿金屬原子稀薄氣體的玻色-愛因斯坦凝聚”這一新的物質狀態(tài),原子冷卻達到了絕對零度高0.5納開爾文nK的溫度。銣原子速度的分布玻色－愛因斯坦凝聚實現(xiàn)原子復制激光的宏觀力學效應世界上較大激光輸出脈沖功率達1016w;聚焦強度達8×1013W/cm2;可產生億度以上的高溫,能焊接、加工和切割最難熔的材料世界上最高光壓：相應的電場強度可達1021w/cm2;相應的光壓達3×
7、1011大氣壓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激光核聚變可控制地在高溫下聚合成重原子核：點火條件(4億度維持1秒）上海光機所神光Ⅱ號裝置反衛(wèi)星激光武器發(fā)射的激光束，輻射強度高，能在空間、時間上，將能量高度集中，具有殺傷破壞作用。它的主要殺傷作用是熱效應，即利用高溫燒毀或重創(chuàng)太空中的軍用衛(wèi)星。激光束也有一定的沖擊效應，使衛(wèi)星上的零部件損壞或者偏離軌道。反衛(wèi)星激光武器反衛(wèi)星激光武器是一種遠程戰(zhàn)略激光武器光鑷——單光束梯度力光阱1986A.As
