一种非真空环境下的光压测量装置

摘 要基于扭秤原理，利用PET真空镀铝材料反射激光，在非真空环境下通过光放大原理实现了对光压的演示和测量，分析了实验误差。

【关键词】非真空 光压测量

光的本质是电磁波，在传播过程中拥有动量，当光子照射在物体表面，被物体吸收或者反射时，光子就会对照射到的物体表面施加一个压力作用，此即光压的产生原理。光压一般非常小，要测量出光压，必须消除“辐射计”效应，并要求实验环境在至少达到10-5Pa高度真空的条件下进行[1]。本实验在非真空实验条件下进行了光压的演示和测量研究，并对实验误差进行了理论分析。

1 实验原理

根据光量子理论，设激光器的输出功率为N，忽略光束在传播、反射过程中的能量损耗及非严格垂直入射的误差影响，光束作用在反光膜表面的光压力为F=2N/c，其中c为光速[2]。设光压作用点与悬镜转轴的距离为d，则悬镜角位移为θ=Fd/D，其中D为悬镜系统细丝的抗扭劲度。又通过测量自左反光膜到光点的距离S和光点的位移y，即可测量出悬镜的角位移θ=y/2S。设悬镜系统的总质量为m，转轴长度L，周期为T，反光膜转动惯量为J=mL2/12，悬镜系统的摆动频率为ω=2π/T，悬镜系统的阻力系数为C=6πηr，其中r为球的半径，悬镜系统的反光膜是正方形，可近似用边长代替半径，η为空气粘滞系数，查得在室温下η=1.53×10-5kg/m・s，悬镜系统的阻尼系数为δ=CL2/4J，悬镜系统的固有频率为ω02=ω2+δ2，悬丝的抗扭劲度为D=ω02J，综上可得，光压定量测量公式为：

2 实验装置及过程

如图1，采用氨基酸高分子纤维作为悬镜的悬丝，反光镜为薄铝片，厚度0.1mm，反光率最高可达85%，转轴为直径0.5mm、长6cm的铅笔芯，反光膜规格为0.8cm~0.8cm，把悬系固定在玻璃瓶的中间，玻璃瓶子直径10cm，把悬镜系统放在里面是为了防止空气流动对实验的影响。用悬丝垂着转轴，转轴两边粘上A、B反光膜，小功率激光器照射A反光膜，反射光点在一定距离的墙上。用大功率的连续脉冲激光器照射B反光膜，当大功率激光正面照射到反光膜上，反光膜受到光压产生力矩，推动悬镜系统转动，产生微小的角位移，通过A镜反射光的放大作用[3]，可以在标尺上观测到明显的轴向位移。通过测量光点的位移，可以算出悬镜的角位移，进而算出光压力。

打开大功率激光器，让激光照射在B反光膜上一瞬间后挡住激光，照射时间大概为1s，光点向X方向移动大约7mm，后向X反方向加速移动。待光点回到平衡位置时，再用激光照射B反光膜0.5s，记录光点向X方向移动的距离，如此重复5次。

3 光压的理论值和测量值对比分析

已知N=3W，c=3.0×108m/s，可得光压的理值为2×10-8N。由于测量装置所用反光膜的反射率只有80%，激光束在传送过程中的能量发生衰减，瓶子表面反射一部分能量。用温度计测量激光在单位时间里出射口处的温度，与激光射到瓶子内的温度，同样的加热时间，在瓶子内的温度比出射口处温度低4℃。激光束是非严格垂直入射，入射光线与反光膜存在一定的角度。因此，实际激光产生的光压应该比F1=2×10-8×80%=1.6×10-8N更小[4]。

实验中，测得光点移动的距离y=10mm，光点到墙上的距离s=500cm，m=0.0619g，L=60mm，d=30mm，r=8mm，T=7.42s，由公式可得光压测量值为0.808×10-9N。

显然，测量值和理论值相差较大，分析其主要原因有：

（1）激光在空气中传播时有衰减[5]。

（2）激光束并非严格垂直入射，入射光线与反光膜存在一定的角度，在光压的垂直方向有一部分分力，光压力减小。

（3）空气分子的对流作用，空气分子的推力对实验影响最大。当激光照射到B反光膜时，反光膜吸收一部分光能，它的表面温度慢慢上升，于是紧靠反光膜表面的空气温度也随之上升[6]。

4 结论

本实验装置基于扭秤原理，利用PET真空镀铝材料反射激光，在非真空环境下通过光放大原理实现了对光压的演示和测量。通过分析了反光膜受力情况、反光膜在不同吸光率及不同入射角度对光压测量的影响，对测量值与理论值的误差，进行了分析。通过改进实验条件，对影响因素进行修正，可以比较准确测量光压。

（通讯作者：黄江）

参考文献

[1]郑好望.光压与光压推进[J].现代物理知识，2006，18（02）：31.

[2]时金辉.基于纳米银膜的微振动光纤传感器及其应用的研究[D].安徽：安徽大学，2016.

[3]毛延哲.光压和光能在真空中的定性研究[J].甘肃科技，2007，23（10）：90-92.

[4]严映律.光压的演示及测量装置设计[J].工科物理，1996（03）：25-26.

[5]杨瑞科.激光在大气中传输衰减特性研究[J].红外与激光工程，2007（36）：416-418.

[6]颉廷禄.真空中“辐射计”效应形成原因及消除方法[J].甘肃工业大学学报，1992，18（03）：101-105.

作者简介

詹强（1988-），男，江西省九江市人。理学硕士。助教。研究方向为非线性光传输。

黄江（1984-），男，湖北省孝感市人。理学博士。讲师。研究方向为量子信息。

作者单位

广东海洋大学电子与信息工程学院 广东省湛江市 524088