0.0. Оптическая «левитация» малых прозрачных частиц

В эксперименте несколько капель воды, содержащих маленькие прозрачные пластмассовые частички с высокой степенью сферичности, были помещены в стеклянную ячейку, просвечиваемую снизу сфокусированным лучом аргонового лазера. Высокая оптическая прозрачность и высокая теплопроводность воды позволила поддерживать частички холодными. Используя специальные очки, поглощающие только лазерный свет, можно наблюдать частички под микроскопом в обычном свете. Лазерный пучок был видим за счет вызываемой им желтой флуоресценции. Так как пластмассовые сферы имеют такую же плотность, как и вода, они остаются неподвижными, как фиксированные мишени. Когда лазерный луч диаметром 15 мкм с гауссовым распределением интенсивности и мощностью около 10 мВт, направленный вертикально вверх, попадал на частичку с поперечным сечением в несколько микрон, она начинала подниматься с постоянной скоростью 10 мкм/с, пока не достигала верхней части ячейки. (Частица, движущаяся в вязкой среде под действием постоянной силы, должна двигаться по закону Стокса с постоянной скоростью). Была также экспериментально продемонстрирована оптическая левитация частиц в воздухе. В воздухе примерно на расстоянии 1 см над стеклянной пластинкой при воздействии сфокусированного лазерного пучка мощностью 250 мВт была подвешена прозрачная стеклянная сфера диаметром 20 мкм.

На рис. 0.0 показана схема эксперимента, в котором лазерный луч, распространяющийся в горизонтальном направлении, вызывает движение частиц в направлении светового пучка. Интересной особенностью опытов с преломляющими свет частицами, находящимися в поле ограниченного светового пучка, является возникновение радиальных сил светового давления, приводящих к движению частиц поперек пучка. Происхождение этих сил можно понять исходя из закона сохранения импульса.

Рис. 0.0. Наблюдение движениия микрочастиц вдоль лазерного луча под действием сил светового давления.

Преломляясь внутри частицы, показатель преломления которой превышает показатель преломления окружающей среды, световые лучи изменяют свое направление так, как это показано на рис. 0.1. Изменение направления потока импульса в световой волне по закону сохранения импульса приводит к возникновению сил и , действующих на частицу. Так как интенсивность света на оси пучка выше, чем на периферии, то и, следовательно, равнодействующая сил в рассматриваемом случае направлена к оси пучка. Если же показатель преломления вещества частицы меньше, чем у окружающей среды, частица будет выталкиваться к периферии.

Рис. 0.1. Схема возникновения радиальных сил светового давления, действующих на частицу в направлении поперек светового пучка

Это обстоятельство позволяет с помощью двух пересекающихся пучков реализовать так называемую "световую ловушку". В такой ловушке любое смещение частицы от точки пересечения пучков, в которой интенсивность света максимальна, приводит к появлению силы, возвращающей частицу в положение равновесия. Радиальные силы позволяют "подвесить" микроскопическую частицу, что применяется при изучении явлений рассеяния, воздействии лазерного излучения на вещество и т. п.