導(dǎo)讀

作為量子科技的重要研究領(lǐng)域，量子傳感技術(shù)通過電子、光子、聲子等微觀量子體系與外界環(huán)境的相互作用，精確感知強(qiáng)度極弱的物理量，測(cè)量精度就此實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。自2019年開始，代表精密測(cè)量最高水平的七大基本物理量的計(jì)量基準(zhǔn)全部實(shí)現(xiàn)量子化。懸浮光力傳感技術(shù)利用真空環(huán)境的光阱實(shí)現(xiàn)對(duì)微納尺度機(jī)械振子的懸浮和囚禁，將待測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為光懸浮機(jī)械振子運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化。其中懸浮的微納振子與外部環(huán)境熱交換和振動(dòng)傳遞完全隔絕，這使得該技術(shù)具有靈敏度極高和易集成等優(yōu)勢(shì)，從而在精密測(cè)量、微觀熱力學(xué)研究、暗物質(zhì)觀測(cè)、宏觀量子態(tài)操控等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，為新一代量子傳感技術(shù)的發(fā)展提供了一條獨(dú)特的研究路徑。

研究背景

作為傳感單元的微納尺度粒子被聚焦光束照射后，大量光子的動(dòng)量被轉(zhuǎn)移至微粒，致使微粒受到力學(xué)作用。隨著激光器的發(fā)明，這種微觀尺度下極其微弱的光力學(xué)效應(yīng)及其應(yīng)用進(jìn)入了快速發(fā)展階段。1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室Ashkin首次觀察到被激光照射后微米尺度乳膠小球的加速運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定懸浮等的現(xiàn)象，由此從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了顯著的光輻射壓作用，并首次提出光阱的概念。1986年，Ashkin利用經(jīng)高數(shù)值孔徑物鏡聚焦的單束激光，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電介質(zhì)微球的三維捕獲，這標(biāo)志著光鑷技術(shù)的誕生。得益于Ashkin等科研人員的開創(chuàng)性工作，同時(shí)伴隨著真空技術(shù)的不斷突破，懸浮光力傳感技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

懸浮光力傳感技術(shù)在精密測(cè)量領(lǐng)域已取得了多項(xiàng)突破，探測(cè)靈敏度正逐步逼近量子極限。同時(shí)，該技術(shù)還在諸多基礎(chǔ)前沿領(lǐng)域起到了顯著作用，幫助科學(xué)家們更加深刻地理解經(jīng)典與量子的邊界問題，驗(yàn)證更多的基本物理理論。2010年，美國(guó)德克薩斯州大學(xué)李統(tǒng)藏等借助懸浮光力傳感技術(shù)觀測(cè)了介觀微球的布朗運(yùn)動(dòng)速度，完成了這個(gè)約百年前愛因斯坦曾經(jīng)認(rèn)為無法完成的任務(wù)。

關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)超靈敏的懸浮光力傳感，離不開初始起支、光力增強(qiáng)、位移測(cè)量、輸出信號(hào)標(biāo)定和等效反饋冷卻等關(guān)鍵技術(shù)的相互協(xié)調(diào)與發(fā)展。 待懸浮的微粒需克服與初始表面之間的Van der Waals力、毛細(xì)力等黏附力和自身重力作用，以一定的初速度被快速投送至光阱區(qū)域，并被光場(chǎng)捕獲，該過程被稱為起支。起支的主要方法有霧化法和振動(dòng)激勵(lì)法。

霧化法的優(yōu)勢(shì)在于操作簡(jiǎn)單，但可能出現(xiàn)多個(gè)微粒被同時(shí)捕獲的情形，捕獲效率較低。振動(dòng)激勵(lì)法通過壓電陶瓷、脈沖激光等激勵(lì)源驅(qū)動(dòng)微粒以合適的速率進(jìn)入光阱區(qū)域。國(guó)防科技大學(xué)肖光宗團(tuán)隊(duì)提出了可實(shí)現(xiàn)單微粒重復(fù)起支的壓電陶瓷振動(dòng)法，如圖1所示，在國(guó)際上率先解決了懸浮光力傳感技術(shù)走向?qū)嵱玫摹翱ú弊印彪y題。



圖1壓電陶瓷振動(dòng)激勵(lì)起支的原理示意圖

光力增強(qiáng)的目的在于提高低光功率下被捕獲微粒的三維位置穩(wěn)定性，有助于拓寬懸浮光力傳感技術(shù)的適用范圍，便于光鑷的集成化，具體可通過調(diào)制光場(chǎng)、改性環(huán)境介質(zhì)或者優(yōu)化光力探針等方式，實(shí)現(xiàn)總光力的提升。調(diào)制光場(chǎng)方案通常需借助于空間光調(diào)制器或者復(fù)雜光學(xué)元器件實(shí)現(xiàn)；改性環(huán)境介質(zhì)方案對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要求簡(jiǎn)單。優(yōu)化光力探針方案利用成熟的微納加工和化學(xué)合成工藝，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但在理論分析時(shí)需要考慮探針的合成冗余度和尺寸公差等問題。 精確的位移探測(cè)技術(shù)決定了懸浮光力傳感具有高靈敏度的特征。

主流的探測(cè)方案有四象限探測(cè)器法、平衡探測(cè)器法和光纖探測(cè)法。四象限探測(cè)器法易于芯片集成化，但精度普遍不高；平衡探測(cè)器法的探測(cè)性能較好，但配套的探測(cè)光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜；光纖探測(cè)法易于集成化，但對(duì)環(huán)境振動(dòng)十分敏感，且系統(tǒng)的穩(wěn)定性與前二者相比較弱。近年來也出現(xiàn)了利用結(jié)構(gòu)光等新型探測(cè)方案，如圖2所示，可實(shí)現(xiàn)更低的搭建成本和更高的信噪比。



圖2使用結(jié)構(gòu)光探測(cè)方案的懸浮光力系統(tǒng)

經(jīng)光電探測(cè)器輸出的電學(xué)信號(hào)需要通過校準(zhǔn)系數(shù)轉(zhuǎn)換成微粒的質(zhì)心位移，其中的校準(zhǔn)系數(shù)可通過標(biāo)定技術(shù)得到，具體方案由光阱的線性度和環(huán)境真空度等因素決定。 在低阻尼的真空環(huán)境下，需增加反饋冷卻模塊，抑制微粒熱噪聲的同時(shí)擴(kuò)大系統(tǒng)量程。傳統(tǒng)的冷卻方法有速度反饋冷卻、參量反饋冷卻和腔冷卻三種。速度反饋冷卻原理簡(jiǎn)單，可推廣至懸浮百微米量級(jí)的磁阱系統(tǒng)，但需引入額外的光束或靜電場(chǎng)；參量反饋冷卻只需調(diào)制捕獲光束功率，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，但需考慮光力非線性分布的影響；腔冷卻無需信號(hào)反饋即可將光懸浮微粒冷卻至量子基態(tài)，但微粒的尺度被限制在納米量級(jí)。2019年，土耳其畢爾肯大學(xué)Volpe等首次提出在環(huán)形激光有源諧振腔內(nèi)捕獲微粒的光阱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)微粒位移的內(nèi)腔自主反饋控制；國(guó)防科技大學(xué)鄺騰芳等在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了雙光束有源懸浮腔光力系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有相同光源功率下最高的束縛效率，如圖3所示。



圖3 不同懸浮光力系統(tǒng)的束縛效率對(duì)比

典型應(yīng)用

由于極高的探測(cè)靈敏度與品質(zhì)因數(shù)，懸浮光力傳感技術(shù)在精密測(cè)量領(lǐng)域具有極大的潛在應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。懸浮光力系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)10-21N/Hz1/2量級(jí)的力、100 ng/Hz1/2量級(jí)的加速度、1 μV/cm/Hz1/2量級(jí)的電場(chǎng)強(qiáng)度和10-29N·m/Hz1/2量級(jí)的力矩探測(cè)靈敏度，已在非牛頓引力探測(cè)、太空實(shí)驗(yàn)、慣性導(dǎo)航、通信感知等前沿交叉領(lǐng)域體現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。2019年，美國(guó)斯坦福大學(xué)Blakemore等借助懸浮光力傳感技術(shù)精確測(cè)量出納米粒子的質(zhì)量，測(cè)量偏差和誤差率分別達(dá)到pg量級(jí)和1.8%，如圖4所示。該方法在質(zhì)譜測(cè)量、表面科學(xué)等化學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出較大的應(yīng)用潛力。



圖4 基于懸浮光力傳感技術(shù)所測(cè)的微粒質(zhì)量結(jié)果

結(jié)論與展望

隨著量子信息、集成光學(xué)、微納加工等現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的不斷進(jìn)步，懸浮光力傳感系統(tǒng)的性能也在快速提升。懸浮光力傳感技術(shù)正沿著“高精度”和“集成化”兩條路線發(fā)展，前者面向基礎(chǔ)研究需求，主要采用空間光學(xué)元件，追求測(cè)量極限，需通過優(yōu)化裝載真空腔體、光束整形、提高電學(xué)器件共模抑制比、反饋控制等手段不斷降低系統(tǒng)固有噪聲；后者面向傳感應(yīng)用需求，更加追求實(shí)用化和工程化，未來需交叉融合集成光學(xué)、集成電路、微納加工等先進(jìn)的技術(shù)，進(jìn)一步提高集成度和綜合性能。我國(guó)懸浮光力傳感技術(shù)的研究起步與國(guó)外研究相比略晚，大部分傳感裝置尚處于原理樣機(jī)的探索階段，但近年來也取得了可喜的進(jìn)步。推進(jìn)基于懸浮光力傳感技術(shù)的向?qū)嵱没~進(jìn)的步伐，同時(shí)借助懸浮光力系統(tǒng)探索具有更大顛覆性的新原理與新技術(shù)，仍是未來懸浮光力傳感技術(shù)的研究重點(diǎn)。

審核編輯：劉清