一種非真空環境下的光壓測量裝置

詹強++李銘士++陳家明++黃江

摘 要基于扭秤原理，利用PET真空鍍鋁材料反射激光，在非真空環境下通過光放大原理實現了對光壓的演示和測量，分析了實驗誤差。

【關鍵詞】非真空 光壓測量

光的本質是電磁波，在傳播過程中擁有動量，當光子照射在物體表面，被物體吸收或者反射時，光子就會對照射到的物體表面施加一個壓力作用，此即光壓的產生原理。光壓一般非常小，要測量出光壓，必須消除“輻射計”效應，并要求實驗環境在至少達到10-5Pa高度真空的條件下進行[1]。本實驗在非真空實驗條件下進行了光壓的演示和測量研究，并對實驗誤差進行了理論分析。

1 實驗原理

根據光量子理論，設激光器的輸出功率為N，忽略光束在傳播、反射過程中的能量損耗及非嚴格垂直入射的誤差影響，光束作用在反光膜表面的光壓力為F=2N/c，其中c為光速[2]。設光壓作用點與懸鏡轉軸的距離為d，則懸鏡角位移為θ=Fd/D，其中D為懸鏡系統細絲的抗扭勁度。又通過測量自左反光膜到光點的距離S和光點的位移y，即可測量出懸鏡的角位移θ=y/2S。設懸鏡系統的總質量為m，轉軸長度L，周期為T，反光膜轉動慣量為J=mL2/12，懸鏡系統的擺動頻率為ω=2π/T，懸鏡系統的阻力系數為C=6πηr，其中r為球的半徑，懸鏡系統的反光膜是正方形，可近似用邊長代替半徑，η為空氣粘滯系數，查得在室溫下η=1.53×10-5kg/m·s，懸鏡系統的阻尼系數為δ=CL2/4J，懸鏡系統的固有頻率為ω02=ω2+δ2，懸絲的抗扭勁度為D=ω02J，綜上可得，光壓定量測量公式為：

2 實驗裝置及過程

如圖1，采用氨基酸高分子纖維作為懸鏡的懸絲，反光鏡為薄鋁片，厚度0.1mm，反光率最高可達85%，轉軸為直徑0.5mm、長6cm的鉛筆芯，反光膜規格為0.8cm﹡0.8cm，把懸系固定在玻璃瓶的中間，玻璃瓶子直徑10cm，把懸鏡系統放在里面是為了防止空氣流動對實驗的影響。用懸絲垂著轉軸，轉軸兩邊粘上A、B反光膜，小功率激光器照射A反光膜，反射光點在一定距離的墻上。用大功率的連續脈沖激光器照射B反光膜，當大功率激光正面照射到反光膜上，反光膜受到光壓產生力矩，推動懸鏡系統轉動，產生微小的角位移，通過A鏡反射光的放大作用[3]，可以在標尺上觀測到明顯的軸向位移。通過測量光點的位移，可以算出懸鏡的角位移，進而算出光壓力。

打開大功率激光器，讓激光照射在B反光膜上一瞬間后擋住激光，照射時間大概為1s，光點向X方向移動大約7mm，后向X反方向加速移動。待光點回到平衡位置時，再用激光照射B反光膜0.5s，記錄光點向X方向移動的距離，如此重復5次。

3 光壓的理論值和測量值對比分析

已知N=3W，c=3.0×108m/s，可得光壓的理論值為2×10-8N。由于測量裝置所用反光膜的反射率只有80%，激光束在傳送過程中的能量發生衰減，瓶子表面反射一部分能量。用溫度計測量激光在單位時間里出射口處的溫度，與激光射到瓶子內的溫度，同樣的加熱時間，在瓶子內的溫度比出射口處溫度低4℃。激光束是非嚴格垂直入射，入射光線與反光膜存在一定的角度。因此，實際激光產生的光壓應該比F1=2×10-8×80%=1.6×10-8N更小[4]。

實驗中，測得光點移動的距離y=10mm，光點到墻上的距離s=500cm，m=0.0619g，L=60mm，d=30mm，r=8mm，T=7.42s，由公式可得光壓測量值為0.808×10-9N。

顯然，測量值和理論值相差較大，分析其主要原因有：

（1）激光在空氣中傳播時有衰減[5]。

（2）激光束并非嚴格垂直入射，入射光線與反光膜存在一定的角度，在光壓的垂直方向有一部分分力，光壓力減小。

（3）空氣分子的對流作用，空氣分子的推力對實驗影響最大。當激光照射到B反光膜時，反光膜吸收一部分光能，它的表面溫度慢慢上升，于是緊靠反光膜表面的空氣溫度也隨之上升[6]。

4 結論

本實驗裝置基于扭秤原理，利用PET真空鍍鋁材料反射激光，在非真空環境下通過光放大原理實現了對光壓的演示和測量。通過分析了反光膜受力情況、反光膜在不同吸光率及不同入射角度對光壓測量的影響，對測量值與理論值的誤差，進行了分析。通過改進實驗條件，對影響因素進行修正，可以比較準確測量光壓。

（通訊作者：黃江）

參考文獻

[1]鄭好望.光壓與光壓推進[J].現代物理知識，2006，18（02）：31.

[2]時金輝.基于納米銀膜的微振動光纖傳感器及其應用的研究[D].安徽：安徽大學，2016.

[3]毛延哲.光壓和光能在真空中的定性研究[J].甘肅科技，2007，23（10）：90-92.

[4]嚴映律.光壓的演示及測量裝置設計[J].工科物理，1996（03）：25-26.

[5]楊瑞科.激光在大氣中傳輸衰減特性研究[J].紅外與激光工程，2007（36）：416-418.

[6]頡廷祿.真空中“輻射計”效應形成原因及消除方法[J].甘肅工業大學學報，1992，18（03）：101-105.

作者簡介

詹強（1988-），男，江西省九江市人。理學碩士。助教。研究方向為非線性光傳輸。

黃江（1984-），男，湖北省孝感市人。理學博士。講師。研究方向為量子信息。

作者單位

廣東海洋大學電子與信息工程學院 廣東省湛江市 524088