Cветовое давление в лазерных пучках. До недавнего времени казалось, что малость светового давления, говоря словами Пойнтинга, "...исключает его из рассмотрения в земных делах". С появлением лазеров ситуация коренным образом изменилась. Новые возможности в экспериментах со световым давлением, открывшиеся после создания лазеров, связаны, пожалуй, не столько с резким увеличением интенсивности излучения, сколько с возможностями "острой" фокусировки лазерного света. Высокая степень упорядоченности лазерного света (пространственная когерентность) позволяет сфокусировать лазерный пучок в пятно, размер которого имеет порядок длины световой волны.

Увеличение интенсивности света неизбежно связано с возрастанием роли тепловых эффектов. Уже при плотности энергии порядка 1 Дж/см² в коротком лазерном импульсе возможно плавление и испарение поверхостного слоя металлической мишени. Связанный с этим выброс вещества навстречу лазерному лучу приводит, очевидно, к возникновению сильного светореактивного давления, величина которого намного превышает "истинное" световое давление. Вместе с тем, оказывается возможным получить сильные эффекты, обусловленные "истинным" световым давлением, фокусируя непрерывное лазерное излучение небольшой мощности на малые тела.

Чтобы убедиться в этом, проведем простую оценку. Излучение аргонового лазера (λ ~ 0,5 мкм) непрерывного действия мощностью Р=1 Вт можно сфокусировать на площадку диаметром 2d₀~(1-10) λ. Если в фокусе поместить зеркально отражающий шарик радиусом r₀~d₀, то сила светового давления на него F=2Р/с=10^-3 дин. При плотности материала шарика ρ=1 г/см³ и d₀~λ его масса будет равна m~10^-12г и, следовательно, под влиянием силы светового давления шарик приобретает огромное ускорение а = F/m = 10⁶g. Последнее позволяет ставить разнообразные опыты по управлению движением микроскопических частиц с помощью светового давления. Очень красивые опыты по оптической левитации частиц в лазерном поле были поставлены А. Эшкиным.
Следует отметить, что в полях лазеров непрерывного действия использование сильно поглощающих (например, металлических) частиц приводит к значительным тепловым эффектам. Поэтому Эшкин проводил опыты с маленькими прозрачными пластмассовыми частицами (шариками из латекса), находящимися в воде. Хотя отражение и преломление света пластмассой, погруженной в воду, относительно малы, возникающие силы достаточно велики, чтобы вызвать движение частиц, наблюдаемое в микроскоп. Тщательный анализ показал, что это движение действительно происходит за счет светового давления, а не остаточных тепловых эффектов.

Оптическая левитация малых прозрачных частиц. Опыты Эшкина. Вот как описаны опыты Эшкина в работе [1]. "В эксперименте использовались маленькие прозрачные пластмассовые частички с высокой степенью сферичности, изготовленные химической компанией "Доу". Это вещество обычно поставляется в воде, и поэтому представлялось естественным провести первый опыт в воде. Помимо этого, высокая оптическая прозрачность и высокая теплопроводность воды позволила бы поддерживать частички холодными. Несколько капель воды, содержащих некоторое количество частичек, были помещены под микроскопом в стеклянную ячейку, просвечиваемую снизу сфокусированным лучом ионного аргонового лазера. При использовании специальных очков, поглощающих только лазерный свет, можно было наблюдать частички в обычном свете. Лазерный пучок был видим за счет вызываемой им желтой флуоресценции. Следовательно, не представляет труда видеть пучок, фокусировать его и управлять им, перемещая фокусирующую линзу. 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)".
В этой же работе продемонстрирована оптическая левитация частиц в воздухе. На фотографии, приведенной в работе [2], видна частица (прозрачная стеклянная сфера диаметром 20 мкм), которая висит в воздухе примерно на расстоянии 1 см над стеклянной пластинкой при воздействии сфокусированного лазерного пучка мощностью 250 мВт. Хотя частица едва видна невооруженным глазом, за счет рассеяния света она ярко сияет.

На рис.1а изображена сфера, находящиеся на краю пучка, имеющего гауссовское распределение интенсивности. Лучи 1 и 2, расположенные симметрично относительно центра сферы, проходя через неё, искривляются таким образом, что возникают две силы светового давления F₁ и F₂, направленные вдоль изменения импульса лучей. Так как луч 2 расположен ближе к центру сечения пучка, то F₂>F₁ и существует результирующая поперечная компонента, направленная к центру пучка (рис.1а) (если показатель преломления сферы больше показателя преломления среды). В случае, если сфера находится на оси пучка обе силы F₁ и F₂ равны (рис.1b).

Световое давление существенно для динамики околозвёздного и межзвёздного газа: так, например, высокоскоростное (2^.10⁸ см/с) испускание газа горячими звёздами объясняется превышением светового давления над гравитационным притяжением. К эффектам светового давления в атомной области близко явление передачи высокоэнергичными фотонами (квантами) части своего импульса электронам, на которых они рассеиваются, или ядрам атомов кристалла в процессах излучения и поглощения.

Возможности использовать световое давление в решении целого ряда практических задач появились после создания лазеров. Лазерный луч, обладающий высокой монохроматичностью и пространственной когерентностью, можно фокусировать в пятно с радиусом, близким к теоретическому пределу, – порядка длины волны. При этом в результате концентрации световой энергии возникает сила светового давления, достаточная для удержания маленьких частиц (0,1 – 100 мкм) в воздухе или иной среде (оптическая левитация) и даже их перемещения. Т. к. частицы одного и того же вещества, но разных размеров будут испытывать различное световое давление и поэтому двигаться с различными скоростями, их можно разделять по размерам. Возможно также разделение частиц с различными (относительно среды) показателями преломления. На рис.1 изображены две сферы с разными показателями преломления, находящиеся на краю пучка, имеющего гауссовское распределение интенсивности. Лучи а и b, расположенные симметрично относительно центра сферы, проходя через неё, искривляются таким образом, что возникают две силы светового давления F_a и F_b, направленные вдоль изменения импульса лучей. Так как луч о расположен ближе к центру сечения пучка, то F_a>F_b и существует результирующая поперечная компонента, направленная к центру пучка, если показатель преломления сферы больше показателя преломления среды (рис.1, вверху), и от центра – в обратном случае (рис.1, внизу). Такой способ разделения может оказаться очень удобным для разделения биологических объектов (вирусы, макромолекулы, клетки), находящихся в жидкости (при предотвращении чрезмерного нагрева).

На верхнем рисунке частица втягивается лазерным лучом на нижнем – выталкивается. Двумя встречными лазерными пучками можно создать так называемую «оптическую ловушку», в которой частицы в воздухе, имеющие высокий показатель преломления, находятся в устойчивом равновесии, так как любое смещение приводило бы к появлению возвращающей оптической силы (оптическая левитация). Будучи захваченной, частица остаётся в воздухе, пока на неё сфокусирован свет. Движением линзы можно очень точно перемещать фокус луча и тем самым положение частицы. Точная микроманипуляция с частицами очень ценна, например, в проблеме термоядерных исследований: с помощью лазера можно вводить и поддерживать на весу маленькую частицу, играющую роль мишени для мощного импульсного лазера. Возможным использованием светового давления в высоком вакууме является ускорение микрочастиц вещества до больших скоростей. Ограничением предельно достижимых скоростей является плавление и испарение частицы. Если считать плавление предельным случаем, то при известных показателе преломления и коэффициенте поглощения можно найти предельно допустимую мощность луча и рассчитать предельную скорость. Для частиц диаметром 0,5 мкм, имеющих коэффициент поглощения 3•10^-5 см^-1, конечная скорость может быть 3•10⁸ см/с. Если такую частицу направить на мишень или др. частицу таких же размеров и скорости, то была бы получена мощность 10¹¹ Вт в течение 10 ^{– 13} с. Частица испарилась бы и образовала высокотемпературную плазму, в которой возможны термоядерные реакции. Поэтому эта методика может представлять интерес в термоядерных исследованиях, однако здесь имеются технические трудности, связанные с подавлением нелинейного поглощения, и др. Сила светового давления на отдельные атомы невелика, но вследствие малости массы атома, эффект механического воздействия света может быть значительным. Особенно велико такое воздействие, если частота лазерного излучения равна частоте атомарного перехода.

С помощью двух пересекающихся пучков можно реализовать так называемую «световую ловушку». Такие световые ловушки первым реализовал А.Экшин. Он выполнил и первые эксперименты по оптической левитации, в которых сила светового давления поднимает и удерживает частицы микронных размеров в воздухе против силы тяжести, а также разработал ряд других методов захвата и удержания лазерными пучками микронных размеров. Однако настоящий прорыв был осуществлен в 1986 году, когда А.Экшин, С.Чу и их коллеги из Bell Telephone Laboratories в США создали трехмерную оптическую ловушку, используя один (единственный) точно сфокусированный лазерный пучок. Сегодня такая однопучковая лазерная ловушка известна как оптический или лазерный пинцет. Принцип действия трехмерной оптической ловушки основан на комбинации поперечной и продольной сил захвата. Причем продольная сила направлена к фокусу пучка. Действительно, теперь, когда на частицу направлен остросфокусировнный пучок света, прозрачная частица частично коллимирует проходящее излучение. Изменение направления лучей, распространяющихся не вдоль оси пучка, приводит к тому, что их импульс также меняется. В результате возникают силы, действующие на сферу по направлению к фокусу.

Давление света – давление, производимое светом на отражающие и поглощающие тела, частицы, а также отдельные молекулы и атомы, частный случай пондеромоторного действия света, оптической левитации. Гипотеза о давлении света впервые была высказана немецким учёным И. Кеплером (1619) для объяснения отклонения хвостов комет, пролетающих вблизи Солнца. В 1873 английский физик Дж. К. Максвелл, исходя из электромагнитной теории, предсказал величину светового давления которая оказалась исключительно малой даже для самых сильных источников света. В земных условиях световое давление маскируется побочными явлениями (конвекционными токами, радиометрическими силами, которые могут превышать величину светового давления в тысячи раз. Поэтому измерить величину светового давления было чрезвычайно трудно. Впервые экспериментально измерить световое давление удалось П. Н. Лебедеву в 1899. Основной частью прибора Лебедева служили плоские лёгкие крылышки (диаметром 5 мм) из различных металлов и слюды, которые подвешивались на тон кой стеклянной нити и помещались внутри стеклянного вакуумированного сосуда G (рис.1).

На крылышки с помощью специальной оптической системы и зеркал направлялся свет от сильной электрической дуги B. Перемещение зеркал S₁, S₄ давало возможность изменять направление падения света на крылышки. Устройство прибора и методика измерения позволили свести до минимума мешающие радиометрические силы и обнаружить световое давление на отражающие или поглощающие крылышки, которые под его воздействием отклонялись и закручивали нить. В 1907 – 10 Лебедев исследовал световое давление на газы, что было ещё труднее, т. к. оно в сотни раз меньше светового давления на твердые тела. Результаты экспериментов Лебедева и более поздних исследований полностью согласовывались с величиной светового давления рассчитанной Максвеллом, что явилось ещё одним подтверждением электромагнитной теории света. Согласно этой теории, давление, которое оказывает на поверхность тела плоская электромагнитная волна, падающая перпендикулярно к поверхности, равно плотности и электромагнитной энергии около поверхности. Эта энергия складывается из энергии падающих и энергии отражённых от тела волн. Если мощность электромагнитной волны, падающей на 1 см² поверхности тела, равна Q эрг/см^2.с, а коэффициент отражения R, то вблизи поверхности плотность энергии

Этой величине и равно световое давление на поверхности тела:

Например, мощность солнечного излучения, приходящего на Землю, равна 1,4^.10  ⁶ эрг/см^2.с или 1,4^.10³ Вт/м²; следовательно, для абсолютно поглощающей поверхности р=4,3^.10^-5 дин/см=4,3^.10^-6 Н/м². Общее давление солнечного излучения на Землю равно 6^.10⁸ Н, что в 10¹³ раз меньше силы притяжения Солнца.

Существование светового давления показывает, что поток излучения обладает не только энергией (следовательно, и массой), но и импульсом. С точки зрения квантовой теории, световое давление (оптическая левитация) – результат передачи телам импульса фотонов в процессах поглощения или отражения света. Квантовая теория даёт для светового давления те же формулы. Световое давление играет важную роль в двух противоположных по масштабам областях явлений – астрономических и атомных. В астрофизике световое давление наряду с давлением газов обеспечивает стабильность звёзд, противодействуя силам гравитационного сжатия.