悬浮光力传感技术的发展趋势

导读

作为量子科技的重要研究领域，量子传感技术通过电子、光子、声子等微观量子体系与外界环境的相互作用，精确感知强度极弱的物理量，测量精度就此实现质的飞跃。自2019年开始，代表精密测量最高水平的七大基本物理量的计量基准全部实现量子化。悬浮光力传感技术利用真空环境的光阱实现对微纳尺度机械振子的悬浮和囚禁，将待测物理量转换为光悬浮机械振子运动参数的变化。其中悬浮的微纳振子与外部环境热交换和振动传递完全隔绝，这使得该技术具有灵敏度极高和易集成等优势，从而在精密测量、微观热力学研究、暗物质观测、宏观量子态操控等领域具有广阔的应用前景，为新一代量子传感技术的发展提供了一条独特的研究路径。    

研究背景

作为传感单元的微纳尺度粒子被聚焦光束照射后，大量光子的动量被转移至微粒，致使微粒受到力学作用。随着激光器的发明，这种微观尺度下极其微弱的光力学效应及其应用进入了快速发展阶段。1970年，美国贝尔实验室Ashkin首次观察到被激光照射后微米尺度乳胶小球的加速运动和稳定悬浮等的现象，由此从实验上证实了显著的光辐射压作用，并首次提出光阱的概念。1986年，Ashkin利用经高数值孔径物镜聚焦的单束激光，实现了对电介质微球的三维捕获，这标志着光镊技术的诞生。得益于Ashkin等科研人员的开创性工作，同时伴随着真空技术的不断突破，悬浮光力传感技术应运而生。

悬浮光力传感技术在精密测量领域已取得了多项突破，探测灵敏度正逐步逼近量子极限。同时，该技术还在诸多基础前沿领域起到了显著作用，帮助科学家们更加深刻地理解经典与量子的边界问题，验证更多的基本物理理论。2010年，美国德克萨斯州大学李统藏等借助悬浮光力传感技术观测了介观微球的布朗运动速度，完成了这个约百年前爱因斯坦曾经认为无法完成的任务。    

关键技术

实现超灵敏的悬浮光力传感，离不开初始起支、光力增强、位移测量、输出信号标定和等效反馈冷却等关键技术的相互协调与发展。 待悬浮的微粒需克服与初始表面之间的Van der Waals力、毛细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区域，并被光场捕获，该过程被称为起支。起支的主要方法有雾化法和振动激励法。

雾化法的优势在于操作简单，但可能出现多个微粒被同时捕获的情形，捕获效率较低。振动激励法通过压电陶瓷、脉冲激光等激励源驱动微粒以合适的速率进入光阱区域。国防科技大学肖光宗团队提出了可实现单微粒重复起支的压电陶瓷振动法，如图1所示，在国际上率先解决了悬浮光力传感技术走向实用的“卡脖子”难题。



图1 压电陶瓷振动激励起支的原理示意图

光力增强的目的在于提高低光功率下被捕获微粒的三维位置稳定性，有助于拓宽悬浮光力传感技术的适用范围，便于光镊的集成化，具体可通过调制光场、改性环境介质或者优化光力探针等方式，实现总光力的提升。调制光场方案通常需借助于空间光调制器或者复杂光学元器件实现；改性环境介质方案对实验系统要求简单。优化光力探针方案利用成熟的微纳加工和化学合成工艺，实验系统简单，但在理论分析时需要考虑探针的合成冗余度和尺寸公差等问题。 精确的位移探测技术决定了悬浮光力传感具有高灵敏度的特征。

主流的探测方案有四象限探测器法、平衡探测器法和光纤探测法。四象限探测器法易于芯片集成化，但精度普遍不高；平衡探测器法的探测性能较好，但配套的探测光路结构复杂；光纤探测法易于集成化，但对环境振动十分敏感，且系统的稳定性与前二者相比较弱。近年来也出现了利用结构光等新型探测方案，如图2所示，可实现更低的搭建成本和更高的信噪比。



图2 使用结构光探测方案的悬浮光力系统

经光电探测器输出的电学信号需要通过校准系数转换成微粒的质心位移，其中的校准系数可通过标定技术得到，具体方案由光阱的线性度和环境真空度等因素决定。 在低阻尼的真空环境下，需增加反馈冷却模块，抑制微粒热噪声的同时扩大系统量程。传统的冷却方法有速度反馈冷却、参量反馈冷却和腔冷却三种。速度反馈冷却原理简单，可推广至悬浮百微米量级的磁阱系统，但需引入额外的光束或静电场；参量反馈冷却只需调制捕获光束功率，实验装置简单，但需考虑光力非线性分布的影响；腔冷却无需信号反馈即可将光悬浮微粒冷却至量子基态，但微粒的尺度被限制在纳米量级。2019年，土耳其毕尔肯大学Volpe等首次提出在环形激光有源谐振腔内捕获微粒的光阱结构，实现微粒位移的内腔自主反馈控制；国防科技大学邝腾芳等在此基础上设计了双光束有源悬浮腔光力系统，该系统具有相同光源功率下最高的束缚效率，如图3所示。



图3 不同悬浮光力系统的束缚效率对比    

典型应用

由于极高的探测灵敏度与品质因数，悬浮光力传感技术在精密测量领域具有极大的潜在应用优势。悬浮光力系统可实现10-21 N/Hz1/2量级的力、100 ng/Hz1/2量级的加速度、1 μV/cm/Hz1/2量级的电场强度和10-29 N·m/Hz1/2量级的力矩探测灵敏度，已在非牛顿引力探测、太空实验、惯性导航、通信感知等前沿交叉领域体现出广阔的应用潜力。2019年，美国斯坦福大学Blakemore等借助悬浮光力传感技术精确测量出纳米粒子的质量，测量偏差和误差率分别达到pg量级和1.8%，如图4所示。该方法在质谱测量、表面科学等化学领域展现出较大的应用潜力。



图4 基于悬浮光力传感技术所测的微粒质量结果    

结论与展望

随着量子信息、集成光学、微纳加工等现代科学与技术的不断进步，悬浮光力传感系统的性能也在快速提升。悬浮光力传感技术正沿着“高精度”和“集成化”两条路线发展，前者面向基础研究需求，主要采用空间光学元件，追求测量极限，需通过优化装载真空腔体、光束整形、提高电学器件共模抑制比、反馈控制等手段不断降低系统固有噪声；后者面向传感应用需求，更加追求实用化和工程化，未来需交叉融合集成光学、集成电路、微纳加工等先进的技术，进一步提高集成度和综合性能。我国悬浮光力传感技术的研究起步与国外研究相比略晚，大部分传感装置尚处于原理样机的探索阶段，但近年来也取得了可喜的进步。推进基于悬浮光力传感技术的向实用化迈进的步伐，同时借助悬浮光力系统探索具有更大颠覆性的新原理与新技术，仍是未来悬浮光力传感技术的研究重点。    

审核编辑：刘清