Современные методы измерения светового давления

Министерство  образования и науки РФ 

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Волгоградский  государственный университет» 

Факультет физики и телекоммуникаций 

Кафедра лазерной физики 
 
 
 
 
 

       Реферат на тему: 

       Современные методы измерения  светового давления 
 
 

Выполнил: студент 4 курса

группы  ОТб-071

Петухова  Д. Б. 
 
 
 
 

       Волгоград 2010

     Содержание 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   1. Введение 

       Измерение давления является важной задачей во многих отраслях науки и техники [1]. Например, можно удерживать маленькие частицы в воздухе, уравновешивая силу тяжести силой светового давления, и перемещать их. Под действием силы светового давления частицы, имеющие разные массы, разгоняются по-разному. Следовательно, можно с помощью специальных ловушек сортировать очень маленькие частицы [2].

       Световое давление можно использовать для разделения смеси двух газов. Такое разделение может быть реализовано в случае, если частота лазерного излучения (которым облучают смесь) совпадает с частотой перехода атомов одного из газов из невозбужденного состояния в возбужденное. Поглощая фотон, атом такого газа получает импульс по направлению лазерного пучка. При обратном переходе атома из возбужденного состояния в не возбужденное вектор импульса испускаемого фотона имеет произвольное направление. При последующих поглощениях и испусканиях импульсы «испускания» взаимно гасятся, а импульсы «поглощения» суммируются, и в конечном итоге резонансный атом получает общий импульс, направленный вдоль луча лазера. Таким образом, луч лазера, проходя последовательно через две камеры, в первой из которых находится смесь газов, увлекает за собой во вторую камеру атомы одного из них.

       Световое давление можно использовать и для ускорения частиц в вакууме (в воздухе слишком велико сопротивление). Этим можно воспользоваться, например, для моделирования взаимодействия обшивки космического корабля с микрометеоритами.

       Изучается возможность использовать давление солнечного излучения для ориентации и ускорения космических аппаратов в пространстве.

      Долгое  время использовать световое давление не представлялось возможным из-за его небольшой мощности. Только появление лазеров — устройств, способных концентрировать световую энергию в очень узкий и мощный пучок,— позволило довольно широко применять данное явление в различных областях науки и техники.

      Для эффективного использования светового  давления необходимо разработать методики его измерения и исследования. Применяемые методы должны соответствовать  сложному характеру исследуемого объекта, а измерительные преобразователи  – удовлетворять жестким требованиям — обладать высокой чувствительностью при необходимом пространственном разрешении.

      В данной работе мы рассмотрим некоторые  современные варианты измерения  светового давления. 

2. Световое давление. Опыты Лебедева 

      В 1865 году Дж. К. Максвелл создал электромагнитную теорию света. Согласно этой теории световые волны имеют электромагнитную природу, т. е. световые явления можно рассматривать как частный случай электромагнитных явлений. Из основных уравнений теории Максвелла как абсолютно точный факт следовало существование светового давления. Максвелл вычислил это давление. По расчетам получалось, что в солнечный полдень на поверхности, полностью отражающей световые лучи, создается давление, равное всего .

      Трудность в измерениях давления света заключалась  не только и не столько в том, что  сила давления света очень мала. Главные осложнения происходили из-за того, что экспериментаторам мешал... сам свет. Причем создаваемые им помехи по «эффективности» во много раз превосходили давление света.

      В 1899 году замечательный русский физик Петр Николаевич Лебедев впервые измерил давление света. Ему удалось блестяще справиться с трудностями, которые мешали другим исследователям.

      Основной  частью прибора Лебедева были плоские  легчайшие крылышки из различных (в основном) металлических материалов. Поверхность одних крылышек была зачерненной, а других — зеркальной. От зеркальной поверхности свет практически полностью отражался, а зачерненная поверхность поглощала свет. В результате, сила давления света на зеркальные крылышки оказывалась почти вдвое больше, чем сила давления на зачерненные. За счет этого возникал вращающий момент сил, система крылышек начинала поворачиваться, закручивая нить. По углу закручивания нити оценивалось давление света.

      Какие же помехи возникали при измерениях?

      Первая  заключалась в том, что свет, падая на крылышки, нагревал и окружающей воздух. Возникающие конвекционные потоки воздуха, подобно ветру, приводили в движение крылышки. И когда ученый проводил измерения, неизвестно было, от чего перемещались крылышки — то ли от светового давления, то ли от потоков воздуха.

      Это была не единственная помеха. Под действием  света возникает еще один эффект, который получил название радиометрического. Суть его в том, что разные стороны крылышка нагревались по-разному (ведь свет падает только с одной стороны) и отдавали разное количество энергии соприкасающимся с ними молекулам воздуха. Ту сторону, где эта энергия больше (более теплая сторона), молекулы покидали с большей скоростью, т. е. с большим импульсом. А по закону сохранения импульса, улетая, они с большей силой отталкивают крылышко, чем молекулы противоположной «холодной» стороны. Оказалось, что радиометрические силы действуют в том же направлении, что и давление света, а величина их, как уже говорилось, на несколько порядков превосходит величину светового давления.

      Чтобы свести эти «вредные» силы к минимуму, прежде всего потребовалось создать вакуум. Чем меньше молекул остается в сосуде, тем слабее помехи.

      Неспроста Лебедев выбрал в качестве материала крылышек тонкие металлические пленки. Во-первых, такие пленки прекрасно проводили тепло, и перепад температур на разных сторонах крылышек становился меньше — уменьшался и радиометрический эффект. Кроме того, их маленькая масса определяла небольшой момент инерции всей подвижной системы, что в условиях вакуума также позволяло увеличить точность эксперимента.

Много еще различных устройств и  приспособлений придумал П. Н. Лебедев. Перебрал много вариантов условий опыта и испытал различные схемы измерений, пока его труд не привел, наконец, к успеху. 

3. Эффекты, применяемые для детектирования давления и датчики на их основе 

      Для детектирования давления используют много  различных эффектов, остановимся  на наиболее популярных. К ним относятся: пондеромоторный эффект, для его исследования используют крутильный маятник или механотрон, пьезоэффект и тензоэффект, с использованием пьзоэлементов и тензрезисторов в различных конфигурациях, тензодатчики, волоконно-оптические датчики [3]. 

3.1. Пондеромоторные измерители мощности и механотронные измерители мощности 

      Широкое распространение в 70-х годах получил  механотрон, в силу своей новизны  и высочайшего технического качества, достигнутого советской промышленностью по изготовлению ламповой продукции. Механотрон был более защищен от помех создаваемых электромагнитным излучением, чем пьезоэлектрический датчик.

      Альтернативой механотрону является крутильный маятник, который свои положительные качества проявил с момента проведения самых первых опытов по изучению давления света. К положительным качествам крутильного маятника можно отнести его высокую чувствительность и простоту изготовления, однако имеются отрицательные стороны в его использовании - необходимость использования большого пространства для монтажа установки, сложность в настройке и необходимость использования схемы защиты от вибраций.

      Функциональная  схема крутильных весов для измерения  давления излучения схематически изображена на рис. 1.

 

Рис. 1. Функциональная схема крутильных весов. 

На растяжках  или подвесе (1) укреплено коромысло (2) с приемным крылом (3), противовесом (4) и зеркалом (5). При попадании оптического излучения на приемное крыло подвижная система отклоняется от положения равновесия на некоторый угол, по величине которого можно судить о значении оптической мощности или энергии. Крючок (6) предназначен для крепления груза при калибровке весов (определения их момента инерции и жесткости подвеса).

      Крутильные  весы - наиболее чувствительный преобразователь давления излучения. Это достоинство вместе с надежностью их работы, легкостью и высокой точностью калибровки является причиной того, что такие весы использовались в подавляющем большинстве устройств для измерения светового давления.

      Для отсчета угла поворота крутильных весов  используют емкостной преобразователь. В этом случае пластина противовеса является одной из пластин конденсатора, включаемого в резонансный контур генератора. При повороте подвижной системы емкость конденсатора, а значит, и частота генератора меняются; изменение 'частоты измеряется частотным детектором. Чувствительность такой системы очень высока, но сама система громоздка и сложна в настройке и управлении. 

3.2. Пьезоэффект и датчики на его основе 

      Другой  вид эффекта — пьезоэффект, также используется для построения датчиков. Работа различных приборов пьезоэлектроники основана на пьезоэлектрическом эффекте, который был открыт в 1880 г. французскими учеными братьями П. Кюри и Ж. Кюри. Слово "пьезоэлектричество" означает "электричество от давления". Прямой пьезоэлектрический эффект или просто пьезоэффект состоит в том, что при давлении на некоторые кристаллические тела, называемые пьезоэлектриками, на противоположных гранях этих тел возникают равные по величине, но разные по знаку электрические заряды. Если изменить направление деформации, т. е. не сжимать, а растягивать пьезоэлектрик, то заряды на гранях изменят знак на обратный.

      К пьезоэлектрикам относятся некоторые естественные или искусственные кристаллы, например, кварц или сегнетова соль, а также специальные пьезоэлектрические материалы, например, титанат бария. Кроме прямого пьезоэффекта, применяется также и обратный пьезоэффект, который состоит в том, что под действием электрического ноля пьезоэлектрик сжимается или расширяется в зависимости от направления вектора напряженности поля. У кристаллических пьезоэлектриков интенсивность прямого и обратного пьезоэффекта зависит от того, как направлена относительно осей кристалла механическая сила или напряженность электрического поля.

      Для практических целей применяют пьезоэлектрики различной формы: прямоугольные или круглые пластинки, цилиндры, кольца. Из кристаллов такие пьезоэлементы вырезают определенным образом, соблюдая при этом ориентировку относительно осей кристалла. Пьезоэлемент помещают между металлическими обкладками или наносят металлические пленки на противоположные грани пьезоэлемента. Таким образом, получается конденсатор с диэлектриком из пьезоэлектрика, где под действием внешней переменной механической силы на пьезоэлементе возникает переменное напряжение. В этом случае механическая энергия преобразуется в электрическую и пьезоэлемент становится генератором переменной ЭДС. Можно сказать, что пьезоэлемент является колебательной системой, в которой могут происходить электромеханические колебания.