光对材料的力学作用的应用研究
开题报告
目 录
一、选题背景
二、研究目的和意义
三、本文研究涉及的主要理论
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
（二）本文研究框架
五、写作提纲
六、本文研究进展
七、目前已经阅读的文献
一、选题背景
光是人类眼睛可以看见的一种电磁波，是人类生存不可或缺的物质，人类文明的不断发展和科技的不断进步，推动人类越来越深入的去认识和探宄光。在经典电动力学中就证明了光能驱动物体运动的事实。光本身有能量和动量，当光与介质相互作用时，会发生许多种能量传递，其中光与物质的机械作用表现为光对介质施加的力，光施加在物体上的力等于物体前后动量差与时间的比值，这个力可以改变物体的运动状态，我们把这称为光的力学效应[2]。人们对光压的利用越来越广泛，所以研究光对材料的力学效应，探究光作用下液体薄膜的运动规律具有广阔的前景。早在1619年，德国物理学家开普勒出版了《彗星论》一书，指出发现彗星的尾巴永远背离太阳是因为受到太阳光压的原因，继而提出光压的概念[3]。1873年，英国物理学家麦克斯韦提出了光的电磁理论，证明了光束与物质相互作用是可以产生光作用力的[4]，但是这仅是从理论上证明的，因为当时釆用的光束很弱，只有毫瓦量级，所以产生的光压非常小，而且当时也无法测量这么小的光压。随着实验条件的不断提升，到1901年，俄国物理学家尼古拉耶维奇?列别捷夫通过一个简单的光路成功测量到了光压，这次实验的成功完全证实了麦克斯韦的光之电磁理论。在1909年，美籍荷兰物理化学家德拜[5]提出了用X射线作用于球形粒子‘舍产生福射压力的理论，但是实验条件有限无法进行验证。1960年，第一台激光器的问世，从此光的力学效应的研究幵始大踏步前进。1970年，美国贝尔实验室的AAshkin等人⑴发现利用光场中的力可以实现对微小粒子的捕获，对于粒子的捕获是由于两个光压力：一个是光梯度力，另一个是光散射力。光梯度力可以将粒子拉回光强中心；光散射力可以让粒子沿光的传播方向运动，当光梯度力大于光散射力时，那么粒子就会被拉回光强中心，所以控制这两个力的平衡就可以实现对粒子的捕获。其中合作研究者朱棣文等人利用光压原理发现了用激光冷却的方法捕捉原子，由于这个出色的贡献获得1997年诺贝尔物理学奖。1986年，美国贝尔实验室AAshkin等人[6]又发现利用高数值孔径物镜对单光束高度聚焦后可以对微观粒子实现三维捕捉，其中可操控的微观粒子的大小可以达到微米量级，而且AAshkin等人还证明了利用光压还可以非接触的操作活体细胞。从此，第一个光镊就诞生了。激光问世后不久，人们就发现用激光去照射某种物质时，激光与该物质之间会产生力的作用，但是当时激光带来的非线性光学效应研宄更吸引科学家的注意，如光学整流、光学混频、高次谐波、自聚焦等，一直到最近几年，由于在很多领域光的力学效应开始表现明显的作用，人们才开始关注它。
二、研究目的和意义
随着激光技术的快速发展，光的力学效应的研究及应用必将成为一个不容忽视的希望之星。而在流场运动中，热毛细对流也是备受关注的，热毛细对流是1865年由C.Marangoni发现的，所以也叫Marangoni流，它是由于表面张力引起的一种流动。在液体界面舍产生一个表面张力梯度，表面张力梯度超过粘滞力，就会带动液体流动，出现对流现象。热毛细对流与浮力对流的区别在于热毛细对流是一种与重力无关的自然对流，很小的温度梯度就可以产生这种对流。温度越高，液体表面张力就会越小，我们如果对液体底部加热，则靠近加热底部的一端界面处表面张力变小，而远离加热底部的一端界面处表面张力比靠近加热底部的那个界面处的表面张力大，所以就会在液体区域中出现的热毛细对流，即Marangoni 对流。
三、本文研究涉及的主要理论
利用光压来驱动宏观物体运动一直是光的力学效应研究的问题之一，太阳光作为一种免费的无限的能源，也正是各国研宄人员们一直关注的焦点，世界各国一直在研究基于光压的太空飞行器，太阳帆飞船[8]就是其中最好的例子，太阳帆飞船上的帆板是用非常轻薄而且坚硬的聚醋金属薄膜制成的，在帆板的表面上均勾的涂满反射物质，由于太阳光是由许多光子构成的，当太阳帆被送往太空时，帆板会受到太阳光的照射，太阳光子被反射出来，就会对帆板产生力，从而推动太阳帆飞船前行。太阳光是取之不尽用之不竭的，虽然太阳光产生的光压很小，但是在没有空气阻力的太空中，太阳帆就可以像“永动机”一样运行，阳光的存在，就可以产生光压，光压就可以一直给帆叶压力推动太阳帆运行，太阳帆就会获得一个恒定的加速度，不断加速运动。世界各国一直致力于这方面的研究，其中最具代表性的太阳帆飞船是“伊卡洛斯”号，它是2010年日本成功发射世界第一艘只依靠太阳光压驱动的太阳帆飞船，并且顺利地利用光压，实现了太阳帆飞船的加速运动。光压技术可能是实现人类太空旅行的唯一技术，也许在几年以后，我们就可以乘坐太阳帆飞行器开始宇宙旅行。光摄技术是利用光的力学效应的最重要的一个分支，从1986年，A.Ashkin等人成功发明了光摄，二十多年来，对于光镊的研究的不断深入，光镊技术更是备受研究学者们的瞩目，发挥着越来越重要作用。随着光镊应用越来越广泛，光摄技术巳经被国内的大学和研宄所幵始研宄，例如中国科学技术大学是国内较早(1989年)开展工作的。他们首先对光摄进行理论分析然后以分析得到理论为基础研制成功了 “细胞激光微操作系统”，标志着中国在光的力学效应研究方面取得了首次重大成果。他们首先对光作用力进行理论分析，研制了 0.78、0.83^m近红外光光摄，实现了对不同类别和形状的烟草、酵母、水螺间细胞、血红细胞、骨髓瘤细胞及小麦胚细胞器等的捕获与操作，将光刀与光镊技术相结合，成功地创建了 “细胞激光微操作系统” [7]，将光的力学效应拓展到了生物应用方面。
国内相继幵展光镊研究的还有南昌大学，他们将椭球状粒子放在单束激光势讲中，来研宄其受力情况；南开大学[9]主要根据光镊有关参数研宄球形微粒受光压的影口向；清华大学发明了激光微束系统来对细胞进行非接触操作。国外对于光镊技术的研究比较广泛，获得了非常多的成果。美国Beckman研宄中心的Bems等人_想到了将光镊技术应用到微米量级激光微束（光刀）上，并用合成的光镊光刀对精子细胞有丝分裂中后期的染色体进行切割，并对其运动、分布进行了一系列的研究。1995年，Stanford["]研究中心开始研究肌球蛋白分子，肌球蛋白在肌肉运动中有非常重要的作用，它是构成肌动蛋白丝的主要成分，研宄人员通过实验发现肌动蛋白丝中的肌球蛋白分子是依序地以lOnm的步距小步迈进，并且还用光哄测量了推动肌球蛋白运动的力，大约只有5pN。这一研究成果直接揭幵了了肌球蛋白运行模式的秘密，平息了多年的争议，从此人类在生命动力的核心的认识上揭幵了薪新的篇章。德国海德堡大学实验室也选择将光镊和光刀联合，继Bems之后也实现了对染色体的精细切割，而且还通过光镊技术实现了植物原生质体的融合，将光镊延伸到了免疫学、分子遗传学中的应用领域中。日本ResearchDevelopment Corporation研宄组[12]将光镊技术应用于乳胶微粒的操作，设计出一种“分时”装置可以将一束光形成8个独立的光哄，通过各个光拼精确的控制粒子的流动方向、选择粒子的大小以及空间图案的排布。这种“分时”装置的设计将光镊技术拓展到了化学、物理、药物等领域，光镊的发展领域和应用前景更加广阔。
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
近几年来，人们对光的利用越来越广泛，所以光的力学效应的研究在光学领域得以迅速发展。有很多相关的应用研究，在这里我们选择研究光对楔形液膜的力学效应。用激光直接照射由两种互不相溶的液体构成的薄楔形液膜，去探究楔形液膜的运动情况，并研究光照射下液膜的运动规律：
(1)光作用下液体薄膜流速场；
(2)光作用下液体薄膜的流速与光功率的关系；
(3)光作用下液体薄膜的流速与照射位置的关系；
(4)光作用下液体薄膜的流速与示踪粒子的关系；
(5)光作用下液体薄膜的流速与液泡中酒精浓度的关系。
此次课题研究光驱动楔形液膜横向运动，对于目前国际上实属首次。我们通过实验证明激光直接照射可以驱动两个互不相溶的液体构成的楔形液膜定向运动，而且对液流强度与光功率、照射位置、液泡组成成分和示踪粒子浓度等的关系做了较系统深入的研究，得到了一系列规律性结果。根据得到的实验结果，对这一效应的物理机制做了理论分析。
（二）本文研究框架
本文研究框架可简单表示为：
五、写作提纲
摘要 3-4
Abstract 4-5
引言 8-9
1 绪论 9-15
1.1 研究背景及意义 9-10
1.2 国内外研究现状 10-13
1.3 论文的主要研究内容 13-15
2 光的力学效应 15-21
2.1 光的力学效应的概述 15
2.2 光的力学作用的应用 15-20
2.2.1 光镊 15-19
2.2.1.1 光镊的原理 16-17
2.2.1.2 光镊的应用 17-19
2.2.2 太阳帆 19-20
2.3 本章小结 20-21
3 粒子图像测速技术(PIV) 21-24
3.1 PIV技术的概述 21-22
3.1.1 粒子图像测速系统的组成 21-22
3.2 PIV技术的原理 22-23
3.3 本章小结 23-24
4 光对材料的力学作用的应用研究 24-38
4.1 实验系统的构成及实验过程 24-29
4.2 实验结果及分析 29-37
4.2.1 光作用下液体薄膜的流速场 29-30
4.2.2 光作用下液体薄膜的流速与光功率的关系 30-31
4.2.3 光作用下液体薄膜的流速与照射位置的关系 31-33
4.2.4 光作用下液体薄膜的流速与示踪粒子的浓度的关系 33-35
4.2.5 光作用下液体薄膜的流速与液泡中酒精浓度的关系 35-37
4.3 本章小结 37-38
5 理论分析 38-42
5.1 水平方向的辐射压效应 38-39
5.2 热毛细效应 39-40
5.3 本章小结 40-42
6 结论与展望 42-44
6.1 结论 42
6.2 展望 42-44
参考文献 44-47
申请学位期间的研究成果及发表的学术论文 47-48
致谢 48
六、本文研究进展(略)
七、目前已经阅读的主要文献
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