導讀

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

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，大量光子的動量被轉移至微粒，致使微粒受到力學作用。隨著激光器的發(fā)明，這種微觀尺度下極其微弱的光力學效應及其應用進入了快速發(fā)展階段。1970年，美國貝爾實驗室Ashkin首次觀察到被激光照射后微米尺度乳膠小球的加速運動和穩(wěn)定懸浮等的現(xiàn)象，由此從實驗上證實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，實現(xiàn)了對電介質微球的三維捕獲，這標志著光鑷技術的誕生。得益于Ashkin等科研人員的開創(chuàng)性工作，同時伴隨著真空技術的不斷突破，懸浮光力傳感技術應運而生。

懸浮光力傳感技術在精密測量領域已取得了多項突破，探測靈敏度正逐步逼近量子極限。同時，該技術還在諸多基礎前沿領域起到了顯著作用，幫助科學家們更加深刻地理解經(jīng)典與量子的邊界問題，驗證更多的基本物理理論。2010年，美國德克薩斯州大學李統(tǒng)藏等借助懸浮光力傳感技術觀測了介觀微球的布朗運動速度，完成了這個約百年前愛因斯坦曾經(jīng)認為無法完成的任務。

關鍵技術

實現(xiàn)超靈敏的懸浮光力傳感，離不開初始起支、光力增強、位移測量、輸出信號標定和等效反饋冷卻等關鍵技術的相互協(xié)調與發(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，并被光場捕獲，該過程被稱為起支。起支的主要方法有霧化法和振動激勵法。

霧化法的優(yōu)勢在于操作簡單，但可能出現(xiàn)多個微粒被同時捕獲的情形，捕獲效率較低。振動激勵法通過壓電陶瓷、脈沖激光等激勵源驅動微粒以合適的速率進入光阱區(qū)域。國防科技大學肖光宗團隊提出了可實現(xiàn)單微粒重復起支的壓電陶瓷振動法，如圖1所示，在國際上率先解決了懸浮光力傳感技術走向實用的“卡脖子”難題。



圖1壓電陶瓷振動激勵起支的原理示意圖

光力增強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的適用范圍，便于光鑷的集成化，具體可通過調制光場、改性環(huán)境介質或者優(yōu)化光力探針等方式，實現(xiàn)總光力的提升。調制光場方案通常需借助于空間光調制器或者復雜光學元器件實現(xiàn)；改性環(huán)境介質方案對實驗系統(tǒng)要求簡單。優(yōu)化光力探針方案利用成熟的微納加工和化學合成工藝，實驗系統(tǒng)簡單，但在理論分析時需要考慮探針的合成冗余度和尺寸公差等問題。 精確的位移探測技術決定了懸浮光力傳感具有高靈敏度的特征。

主流的探測方案有四象限探測器法、平衡探測器法和光纖探測法。四象限探測器法易于芯片集成化，但精度普遍不高；平衡探測器法的探測性能較好，但配套的探測光路結構復雜；光纖探測法易于集成化，但對環(huán)境振動十分敏感，且系統(tǒng)的穩(wěn)定性與前二者相比較弱。近年來也出現(xiàn)了利用結構光等新型探測方案，如圖2所示，可實現(xiàn)更低的搭建成本和更高的信噪比。



圖2使用結構光探測方案的懸浮光力系統(tǒng)

經(jīng)光電探測器輸出的電學信號需要通過校準系數(shù)轉換成微粒的質心位移，其中的校準系數(shù)可通過標定技術得到，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擴大系統(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單，可推廣至懸浮百微米量級的磁阱系統(tǒng)，但需引入額外的光束或靜電場；參量反饋冷卻只需調制捕獲光束功率，實驗裝置簡單，但需考慮光力非線性分布的影響；腔冷卻無需信號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。2019年，土耳其畢爾肯大學Volpe等首次提出在環(huán)形激光有源諧振腔內(nèi)捕獲微粒的光阱結構，實現(xiàn)微粒位移的內(nèi)腔自主反饋控制；國防科技大學鄺騰芳等在此基礎上設計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)的束縛效率對比

典型應用

由于極高的探測靈敏度與品質因數(shù)，懸浮光力傳感技術在精密測量領域具有極大的潛在應用優(yōu)勢。懸浮光力系統(tǒng)可實現(xiàn)10-21N/Hz1/2量級的力、100 ng/Hz1/2量級的加速度、1 μV/cm/Hz1/2量級的電場強度和10-29N·m/Hz1/2量級的力矩探測靈敏度，已在非牛頓引力探測、太空實驗、慣性導航、通信感知等前沿交叉領域體現(xiàn)出廣闊的應用潛力。2019年，美國斯坦福大學Blakemore等借助懸浮光力傳感技術精確測量出納米粒子的質量，測量偏差和誤差率分別達到pg量級和1.8%，如圖4所示。該方法在質譜測量、表面科學等化學領域展現(xiàn)出較大的應用潛力。



圖4 基于懸浮光力傳感技術所測的微粒質量結果

結論與展望

隨著量子信息、集成光學、微納加工等現(xiàn)代科學與技術的不斷進步，懸浮光力傳感系統(tǒng)的性能也在快速提升。懸浮光力傳感技術正沿著“高精度”和“集成化”兩條路線發(fā)展，前者面向基礎研究需求，主要采用空間光學元件，追求測量極限，需通過優(yōu)化裝載真空腔體、光束整形、提高電學器件共模抑制比、反饋控制等手段不斷降低系統(tǒng)固有噪聲；后者面向傳感應用需求，更加追求實用化和工程化，未來需交叉融合集成光學、集成電路、微納加工等先進的技術，進一步提高集成度和綜合性能。我國懸浮光力傳感技術的研究起步與國外研究相比略晚，大部分傳感裝置尚處于原理樣機的探索階段，但近年來也取得了可喜的進步。推進基于懸浮光力傳感技術的向實用化邁進的步伐，同時借助懸浮光力系統(tǒng)探索具有更大顛覆性的新原理與新技術，仍是未來懸浮光力傳感技術的研究重點。

審核編輯：劉清