微纳光纤中光动量实验及光动量效应应用研究

摘要

光波具有动量是众所周知的事实，光波在真空中的动量形式也毫无争议。但是，光波在透明介质中的动量却是物理学中的难题，一百年来研究者们对此争论不休。1908年Minkowski提出的透明介质中光动量应为nE/c，E为光波能量，n为介质折射率，c为真空光速，而隔年Abraham又提出另一个光动量表达式E/nc。Abraham动量满足爱因斯坦的能量—动量关系，而Minkowski的单光予动量形式看起来满足透明介质中的德布罗意关系。究竟哪个动量才是正确的呢？研究者们一直企图从理论和实验上解决此问题，可至今研究者们还在激烈地争论，没有得到明确的答案。 本论文对百年来光动量问题的研究进展和现状进行了详细的介绍，利用“微纳光纤”对透明介质中的光动量进行了研究，首次发现光致光纤弯曲的现象并对此现象进行半定量的理论分析。分析表明，微纳光纤的弯曲是由光从光纤端面出射时产生的反冲光力所造成，用Abraham动量很容易解释此现象，实验看起来更倾向支持Abraham动量。另外，本文还介绍了一种基于光致弯曲效应的新型低功率全光开关，并且对其开关的物理过程和开关时间进行了初步的研究。 本论文包含两大部分的内容：第一部分是介绍目前透明介质中光动量的各种理论以及研究者们对此问题的各种观点；第二部分是利用微纳光纤研究透明介质中的光动量及光动量效应在微纳光纤中的应用。其主要创新点如下： 1）提出一种巧妙的检验光动量的实验方法：通过光波从光纤细丝端面出射时光力所造成的光纤形变检验透明介质中的光动量。 2）首次在实验中观察到光波段Abraham动量产生的效应，为透明介质光动量的实验研究增添了新的实验资料。 3）首次实现光力驱动的微纳光纤全光开关。全光开关的消光比达到15dB，这种机制有望解决传统非线性机制所不能解决的矛盾，即全光开关体积与开关功率间的矛盾。这种全光开关具有制作简单，成本低廉，容易与其它光纤器件连接等优点。

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第一章 前言

1.1透明介质中光动量的争论起源

1.2透明介质中光动量的理论发展和现状

1.3透明介质中光动量的实验发展和现状

1.4若干问题和本论文的主要研究工作

参考文献

第二章 透明介质中的光动量理论

2.1 Pfeifer等人的张量理论[各种能量—动量张量的等价性]

2.2 Mansuripur的折衷光动量理论

2.3 Mansuripur的宏观电磁场光动量理论

2.4 Hinds和Barnett的光动量理论[Abraham/Minkowski动量的适用性]

2.5 Feigel的经典场理论

2.6 Brevik的光力理论

2.7 Loundon和Barnett的洛伦兹力量子理论

2.8爱因斯坦动量和角动量的理想实验

2.9小结

参考文献

第三章 微纳光纤中光动量的实验研究

3.1引言

3.2微纳光纤中光动量形式

3.3微纳光纤中动量的实验研究

3.4结论与小结

参考文献

第四章 基于光动量的微纳光纤全光开关

4.1引言

4.2传统实现光开关的机制

4.3目前实现全光开关的新机制

4.4基于光动量的微纳光纤全光开关

4.4小结

参考文献

第五章 微纳光纤的制备及其性质

5.1目前微纳光纤的制备方法

5.2光动量实验微纳光纤制备方法

5.3微纳光纤的基模性质

5.4小结

参考文献

第六章总结与展望

攻读博士学位期间所发表的学术论文

致谢