辐射压力radiation pressure

2022-10-19 16:14:28 浏览:237

定义

入射光或其他辐射产生的机械压力。

例如,当光线反射到镜子上时,镜子会受到一定的辐射压力,即受到与动量从辐射传递到固体材料的微小机械力有关。(严格来说,压力是单位面积的力,它与光强度有关,而不是与光功率有关。这些力首先由天文学家约翰内斯·开普勒考虑,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦,着名的麦克斯韦方程组的创造者,后来进一步发展了对光力的理解;定量预测是从麦克斯韦方程组推导出来的。光力后来被俄罗斯物理学家彼得·列别捷夫在1900年实验证明[1]

作为最简单的情况,可以考虑在完美反射镜上具有正常入射的光。光的每个光子的传播方向是相反的,这意味着每个入射光子的两倍动量被转移到镜子上。光子的动量是hν / c。对于入射角为θ的非法向入射(但仍是完全反射),辐射力减小系数cos θ;总之,所得力可以用以下等式计算:

辐射压力产生的辐射力

其中 P 是入射光功率。对于辐射压力(单位面积的力),我们有

辐射压力

与光学强度I。此等式包含因子cos 2θ而不是cos θ,因为倾斜的入射也增加了镜子上的照明区域。

修改后的方程可以推导出其他情况;例如,如果辐射完全吸收在固体上,则辐射力为F = P / c。这里缺少2和cos θ的因子,因为光子没有以相反的动量反射,并且入射角显然可能不相关 ,除了由于上述照明区域增加引起的辐射压力,这里导致因子cos θ(没有平方)。

辐射力也可能由光的发射产生,例如热发射或激光发射。

光之力的弱点

由1-W激光束产生的少数纳米牛顿很难检测到!

基本上由于光速c非常高,辐射力例如通常用于反射1000 W的激光束是相当小的:仅3.3 μN。因此,测量辐射压力并不容易。然而,现代技术,例如基于微机电系统(MEMS)的技术,提供了一些强大的手段。

另请注意,实际的辐射压力可能与其他机械效应一起发生,这些效应可能更强。例如,它们可能是由加热的表面与周围空气的相互作用引起的。这种效应而不是辐射压力对于Crookes辐射计的工作原理至关重要,该辐射计包含固定在旋转部件上的轻质反射镜。

辐射压力的应用

尽管辐射压力通常非常弱,但有一些实际或至少提出的应用:

  • 原子粒子上的光力在各种激光冷却方法中被利用。
  • 已经开发了可用于推进小型航天器的太阳帆。即使获得的力非常小,但如果它们在很长的行进时间内处于活动状态,它们也可以显着改变物体的动量。实际应用的一个关键因素是这种太阳帆由非常轻巧但耐用的材料制成。
  • 航天器的光束动力推进可以用高功率激光器实现。然而,这种推进只能提供微弱的力,而需要大量的动力。另一方面,每公斤使用过的燃料(例如核燃料)所达到的动量可能远远高于火箭推进。因此,对于极远的旅行,建议使用这种方法。
  • 可以使用辐射压力效应来测量高功率激光束的光功率[2]。虽然必须测量相当低的机械力,但一个优点是不需要吸收要测量的光功率,因此它可以保持可用于应用,并且不需要耗散大量的热功率。

辐射压力噪声

如果入射到某些样品上的光学强度不恒定,则辐射压力将相应波动。即使强度名义上是恒定的,光场中也存在量子噪声。这导致了量子辐射压力噪声现象,这尤其增加了使用大型光学干涉仪进行引力波检测的挑战:特别是在低测量频率和高光功率下,噪声可以通过增加干涉仪反射镜后面测试质量体的位置噪声来确定整体本底噪声。当使用相位挤压光来拒绝读出噪声时,这个问题会变得更糟。然后,在低频区域使用幅度挤压(即降低强度噪声)而在较高频率下使用相位挤压是有利的。

量子光学

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