光的自旋角动量产生的力学效应

光的自旋角动量产生的力学效应 李银妹 中国科学技术大学 物理系 1. 引言： 光具能量和动量，光的动量包括线性动量和角动量[1]。 携带有角动量的光束与物体相互作用，就可能有角动量的交换，这时物体就受到一个力矩的作用，只要这力矩大于作用在物体上的其它阻力矩，就会使物体产生旋转运动。 光的角动量包括轨道角动量和自旋角动量。光的轨道角动量与光场的特定空间分布相联系，自旋角动量则取决于光束的偏振状态。 光束的偏振状态不同，光子的平均自旋角动量就不同。也就是说，光束携带的自旋角动量的大小和方向取决于光束的偏振状态。光束的偏振态发生了改变，意味着它所携带的自旋角动量有了变化。一束携带有自旋角动量的光束与物体相互作用，光束的偏振态可能发生变化，相应的角动量也就发生了变化，根据角动量守恒定律，物体的角动量也要同时发生变化，这将导致有一个力矩作用在物体上，使它发生旋转。这种基于自旋角动量的交换或传递实现的光致旋转，既与入射光的偏振状态有关，也与物体微粒的光学性质有关。 光致旋转是实现微机械马达的有效手段，光致微机械马达可以避免电磁驱动机械马达的操控空间小、附加零件多等缺点，可发展成为新的马达运动的驱动源。光致旋转可实现微粒的转动操作，特别是双折射晶体微粒在线偏振光束下的定位现象，加强了对粒子转动的可控性，可能会在生物学领域为寻找特异受体结合位点提供方便。实现光致旋转的方法已发展有很多，初步展示了光致旋转在微纳科技领域的应用前景。 本实验通过改变入射光的偏振性质来改变它携带的自旋角动量，研究光与双折射晶体粒子相互作用产生的光致旋转效应，观察和测量由自旋角动量引起的扭转力矩的大小，方向以及粒子的旋转速度等力学效应。使学生对光携带角动量的基本属性和光致旋转现象直观的了解和认识。 2．实验目的 1 了解光的自旋角动量产生光致旋转现象的原理 2 对光致旋转现象有一直观认识 3 掌握光镊的具体调节方法 3．实验预备知识 1 有力学、光学、量子力学基础 2 着重复习五种偏振态的特点及波片的作用 3 了解光的自旋角动量及其特点 4．实验原理 4． 1 自旋角动量的传递与扭力矩 按光的量子理论，光是由光子组成的。每个光子自旋角动量的大小为 ，它在光传播方向上的投影为或， 取决于光束的偏振状态。每个光子的自旋角动量在光传播方向上的投影，对于左旋圆偏振光为， 而对于右旋圆偏振光为。 左旋和右旋圆偏...