透明介質中單光子態動量的實驗驗證

《透明介質中單光子態動量的實驗驗證》是依託中山大學，由佘衛龍擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：透明介質中單光子態動量的實驗驗證
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：佘衛龍
• 依託單位：中山大學

中文摘要

介質中尤其是透明介質中的光動量問題是百年物理學難題。在折射率為n的透明介質中，對波長為λ的單光子態，有人認為其動量取Abraham值 h/(n×n×λ)；又有人認為應取Minkowski值h/λ，h為普朗克常數。有大量的理論工作就此展開激烈的爭論，也有一些實驗力圖給出問題之判斷，但理論爭論和實驗檢驗延續了近一個世紀，介質中的光子動量仍然是個謎。2008年我們利用納米光纖觀察了透明介質中的光動量。實驗結果看起來支持Abraham，但目前仍有不同看法，所以需要進一步確認。本項目在我們原來納米直徑光纖實驗的基礎上開展新的實驗研究，利用微米直徑光纖和透明粘性液體進行表面光壓實驗，進一步確認透明介質中的光子動量。此項研究在基礎物理方面的意義是顯然的。如果Abraham動量被確認，除了作為雷射表面破壞新機制外，Abraham動量形成的光壓又可望在雷射誘導慣性約束受控聚變方面有重要的套用。

結題摘要

一個世紀以前，Minkowski 和Abraham幾乎同時地提出了兩個完全不同的關於介質中光動量的理論。對摺射率為n 的透明非磁性介質，光動量的Minkowski 公式是nE/c而Abraham公式是E/(nc)。這裡E 和 c分別是能量和真空中的光速。理論家們為了澄清這兩個不同的光動量而努力工作並發表了許多理論。可是這些理論存在著巨大的分歧並產生長期的爭論。相應的檢驗實驗則很少。水面光壓實驗,兩束連續雷射拉伸細胞以及聚焦雷射束誘導液－液界面形變的實驗起初看似有利於Minkowski理論，但因為人們對Gaussian 光束的橫向梯度力影響的質疑而變得不確定。水中懸鏡實驗也曾經被認為是支持Minkowski理論，但未觀察到的光傳輸到鏡子周圍液體的動量又使得該實驗曖昧不清。我們的研究動機基於水面光壓實驗和相關理論。Ashkin 和 Dziedzic 在他們的實驗中觀察到，當一個緊聚焦的60 ns 光脈衝進入或立刻水面時，在光束入射點會產生一個向上的凸包。Gordon 提出一個理論，它認為實驗觀察與Minkowski 動量在空氣和水的界面上的改變相一致。Brevik 又提出另一個所謂Abraham-Minkowski 表面力機制。該理論也導出一個朝上的力。我們的實驗表明，當一個聚焦的連續532 nm光束入射進入處於純水面的弱吸收白礦油膜時，一個向上凸包真的出現，但是，當入射光非聚焦時，它在油麵誘導出一個凹坑。前者很像Ashkin 和Dziedzic的觀察而後者完全不同。凹坑的形成顯然不能用Minkowski動量和Abraham-Minkowski 表面力解釋。我們嘗試用聚焦Gaussian光束橫向梯度力和Abraham動量解釋所觀察到的現象。