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光に質量はありませんが、光を粒子(フォトン)とみると、1個のフォトンはh/λ(h はプランク定数、λは光の波長)の運動量をもっています。したがって、光の放射圧はフォトンの運動量に関する保存則により理解することができます。

初めに、左図のようにレーザー光が鏡で反射されるときの光の放射圧について考えてみましょう。  簡単には、粒子が鏡に当たり跳ね返ることにより、逆に鏡が F の大きさの力を受けると考えることができます。

では、もう少し詳しく説明をしてみましょう。 レーザー光(フォトン)が鏡に当たると運動方向が変わります(反射します)。このとき、フォトンの運動量はP1からP2にΔPだけ変化します。系全体の運動量は保存されるので、それに対応した運動量変化が鏡に働き、それが放射圧となります。放射圧の大きさFは1個のフォトンの運動量変化と鏡に衝突する単位時間当たりのフォトン数の積になります。



次に、レーザー光が屈折率の小さい媒質1から屈折率の大きい媒質2へ入射する場合を考えてみましょう。

この場合も、粒子が媒質1から媒質2へ入ると進行方向が変化します。したがって、そのために、逆に大きさ F の力を媒質2が受けると考えることができます。

では、もう少し詳しく説明をしてみましょう。 レーザー光(フォトン)の進行方向が変わるためにフォトンの運動量はP1からP2へと変化します。したがって、その運動量変化は右図に示したようにΔPとなります。反射の場合と同様に光の屈折によって媒質2に放射圧が働きます。






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映像提供
新技術事業団
(現 独立行政法人 科学技術振興機構)
増原極微変換プロジェクト

では、上方から来たレーザー光がレンズで集光されて、焦点から少し下の位置にある微粒子にレーザー光が当たったときの様子をアニメで見てみましょう。

光がレンズで屈折されて上から下へと進んでいきます。光が微粒子を透過するときに運動量の変化が起こるために微粒子に上向きの力が働きます。そのため、微粒子は焦点位置の方へ移動することになります。レーザー光で微粒子を捕捉した後は、レーザー光を左右に動かすとそれにつられて微粒子も左右に移動することになります。

説明
レーザー
歴史
原理
実験1
実験2
用語
質問



■屈折率
屈折率は真空中の光速度 c と媒質中の光速度 v との比 c/v で表わされます。



詳しい用語説明は、 用語説明ページを ごらんください。

 

 




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