真空光镊：精密测量的“理想”平台

编者按

为彰显学术交叉融通，集中传播激光领域的最新科研成果，《中国激光》联合国防科技大学，组织策划“中国激光·国防科技大学”特色专题。本专辑于2021年第4期正式出版（点击查看）。

本专题推荐8篇代表作作为“亮点文章”。本文来源于国防科技大学激光陀螺团队光力课题组——“真空光镊系统及其在精密测量中的研究进展”。

撰稿人：韩翔 肖光宗

光镊系统是20世纪末激光技术领域的重大发明之一，具有非接触、低损伤和适用范围广等特性。光镊系统通过调制束缚光场来操控捕获振子的运动，借助光动量的检测获取振子的运动状态，并实现对振子物理参量的精密测量。真空光镊系统可实现机械振子与外界环境的近乎完全隔离，具有超高灵敏度探测能力，因此成为精密测量和基础物理研究的“理想平台”。2010年以来，真空光镊系统快速兴起并成为光机械体系的前沿热点。

近日，国防科技大学罗晖、肖光宗团队在《中国激光》上发表了综述文章，概述了真空光镊系统相关的基本理论，介绍了真空光镊实验系统的配置方案及其在精密测量中的典型应用，并对真空光镊系统的发展现状进行了梳理总结，给出了其未来发展的建议。

01

背景

光具有能量和动量，可通过动量传递在物体上产生力学效应。普通光源所产生的光力效应非常微弱，很难直接观测和利用，因而光力的研究进展缓慢。激光的出现，为光力效应的研究提供了强准直光源，极大地推动了其研究进展，为光镊技术的诞生和发展奠定了关键的技术基础。

1970年，美国贝尔实验室的Arthur Ashkin使用双光束激光成功捕获SiO₂微粒，并于1986年首次使用单束高度汇聚的激光束实现了微粒的捕获，这项技术被称为光镊技术^[1]。随后Ashkin等人将其应用于生物领域，并因此于2018年分享了诺贝尔物理学奖^[2]。

自光镊技术诞生以来，形式日益丰富。美国德克萨斯大学李统藏^[3]和西班牙光子科学研究所Novotny^[4]分别于2011年和2012年在高真空环境中实现了微米尺寸和纳米尺寸微粒的稳定悬浮，并分别将光镊悬浮颗粒质心运动的等效温度冷却到了mK量级。他们的研究工作表明，真空光镊系统中的悬浮颗粒基本隔离了与外界环境的能量交换，可近似视为理想状态的简谐谐振子，被认为是物理量精密测量的“理想平台”。随后真空光镊技术快速兴起，并受到了人们的广泛关注。

02

真空光镊系统

性能良好的真空光镊系统需要具备合理的光镊结构、高效的起支捕获机制、精密的位移测量方法和微球质心运动的有效冷却措施等要素。

按照捕获光束的数量，真空光镊主要分为单光束光镊和双光束光镊。在真空环境中，普通单光束光镊更适合nm级微粒的捕获，可通过竖直向上结构提升对μm级微粒的捕获效率。在相向传播的双光束光镊中，作用在捕获微粒上的散射力被相互抵消，可捕获微粒的粒径范围大幅拓展，然而双光束的对准状态必须精密调整，光束失准可能会降低捕获的稳定性^[5]。

在真空环境中，位于载体表面的微粒样品会受到范德华力、毛细力和静电力等粘附力的作用，这些作用力通常比微粒重力或光力大的多。如何快速起支捕获微粒是一个复杂的技术问题，目前主要通过压电陶瓷振动法、喷雾法和脉冲激光分离法克服粘附力实现起支捕获。国防科技大学Xiao等^[6]和浙江大学Fu等^[7]的研究工作表明，压电陶瓷振动法和脉冲激光分离法有望实现单微粒的起支捕获和重复使用。

位移测量是实现高灵敏度测量的重要基础。按照测量原理的不同，真空光镊系统中捕获微粒位移测量的方法主要分为四类：图像传感器(CCD和CMOS相机)方法^[8]、四象限探测器(QPD)方法^[9]、平衡探测器方法^[3]和回光干涉方法^[10]。其中，图像传感器方法测得的是像素变化信息，需标定像素与位移的对应关系；其余三种方法测得的是探测器电压信号，需要标定电压与位移的对应关系。

在真空环境中，悬浮微粒极易脱落，反馈冷却措施可大幅延长微粒的捕获时长，降低系统热噪声。目前微粒质心运动的冷却方案主要有：光动量反馈冷却、参数反馈冷却、静电力反馈冷却和光腔反馈冷却。2020年，奥地利维也纳大学Delić等^[11]使用腔冷却方式将纳米微粒冷却到12 μK，在室温条件下实现了量子基态冷却。

03

真空光镊系统在精密测量中的应用

品质因数是衡量精密测量系统性能指标的重要参数之一。2019年，英国伦敦大学国王学院Millen等总结了不同谐振子系统的品质因数范围，如图1所示^[12]。其中，红色区域代表的是光悬浮谐振子系统，该范围可兼顾最高的品质因数和最小的体积，表明真空光镊在超高精度精密测量方面的巨大潜力。

图1 不同体积谐振子系统的品质因数^[12]

3.1 极弱力传感

2016年，美国内华达大学Ranjit等^[13]在双光束光镊系统中将直径300 nm的带电微粒冷却至约400 mK，实现了1.6×10^-18N/Hz^1/2的微力灵敏度，并在数小时的积分时间上实现了6×10^-21N量级的微力传感，可为微纳粒子所受重力、静电力、非牛顿引力等极弱力的检测提供便利。

图2 不同积分带宽b所对应极弱力的分辨能力。1Torr≈133Pa，HV为气压0.66mPa，e-表示元电荷量，(插图)不同气压下微球位移的功率谱密度曲线^[13]

3.2 加速度测量

2020年，美国耶鲁大学Monteiro等^[14-15]在竖直向上的单光束光镊悬浮直径10 μm的微粒，在高真空环境中将其冷却到约50 μK，实现了优于100 ng/Hz^1/2的加速度分辨率和10^-18N/Hz^1/2的微力分辨率，可用于高灵敏度加速度的传感。

图3 真空光镊加速度和微力的测量结果^[15]

3.3 角速度测量

2020年，美国普渡大学Ahn等^[16]在真空光镊中使用圆偏振光束操控哑铃状纳米微粒，实现了高达5 GHz的转速。高速旋转会带来该尺寸下的陀螺效应，可为旋转角速度的测量提供一种新的途径。

图4 真空光镊中圆偏振光束悬浮纳米颗粒高速旋转。(a)实验配置；(b)被捕获颗粒旋转速率与环境气压的关系曲线^[16]

3.4 纳米微粒质量测量

2020年，中国科技大学Zheng等^[17]采用数字化反馈控制技术，在高精度校准的真空光镊系统实现了10^-15g(fg)量级微粒质量的测量，其测量结果的相对不确定度可达2.2%。该质量测量不确定度是当前相关测量体系所获得的最好水平，为与质量相关的力和加速度的精密测量打下了基础。

图5 对10^-15g量级微粒质量的测量(1mbar≈100Pa)^[17]

04

展望

近十年来，真空光镊系统中谐振子的品质因数越来越高，捕获寿命越来越长，在极弱力传感、加速度测量、静态力测量等等精密测量方面展现出巨大潜力，而宏观量子态的实现又可发挥纳米机械振子量子态操控的作用，进一步提升精密测量的灵敏度。

当然，真空光镊系统还有很多问题需要进一步深入研究。如何实现微纳介质质心的高效冷却，从而降低系统噪声依然是未来真空光镊系统研究的重点之一。在真空光镊系统的物理结构方面，片上集成的液体光镊系统已经广泛应用于生物技术领域，并实现了光学拉伸、光学分选、光学输运等功能。随着微纳加工技术和集成光学的发展，采用片上真空光镊系统更利于高灵敏度传感器的小型化和实用化。

参考文献（向上滑动阅览）

[1] 李银妹, 姚焜. 光镊技术[M]. 北京: 科学出版社, 2015.

[2] Arthur Ashkin-Facts–2018. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2020. Sat.12 Dec 2020. 

<https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2018/ashkin/facts/>

[3] Li T , Kheifets S , Raizen M G . Nature Physics, 2011, 7(7):527-530.

[4] Gieseler J, Deutsch B, Quidant R, et al. Physical Review Letters, 2012, 109(10): 103603.

[5] Chen X L, Xiao G Z, Yang K Y, et al. Optics Express, 2016, 24(15):16952-16960.

[6] Xiao G Z, Kuang T F, Xiong W, et al. Optics & Laser Technology, 2020, 126: 106115.

[7] Fu Z H, She X, Li N, et al. Optics Communications, 2018, 417: 103-109.

[8] Luan Q J, Han X, Xiao G Z, et al. Optics Communications, 2018, 426: 642-647.

[9] Xiong W, Xiao G Z, Han X, et al. Optics Express, 2017, 25(8): 9449-9457.

[10] Xiong W, Xiao G Z, Han X, et al. Applied Optics, 2019, 58(8): 2081-2084.

[11] Deli U , Reisenbauer M , Dare K , et al. Science,367(6480):eaba3993.

[12] Millen J, Monteiro T S, Pettit R, et al. Reports on Progress in Physics, 2020, 83:026401.

[13] Ranjit G, Cunningham M, Casey K, et al. Physical Review A, 2016, 93(5):053801.

[14] Monteiro F, Li W Q, Afek G, et al. Physical Review A, 2020, 101: 053835.

[15] Monteiro F, Ghosh S, Fine A G, et al. Physical Review A, 2017, 96(6): 063841.

[16] Ahn J, Xu Z J, Bang J, et al. Nature Nanotechnology, 2020, 15(2): 89-93.

[17] Zheng Y, Zhou L M, Dong Y, et al. Physical Review Letters, 2020, 124(22):223603.

课题组介绍

国防科技大学激光陀螺团队光力课题组多年来以国防应用为牵引，开展真空光镊及其在精密测量中的应用研究，承担了一批国家和军队重点项目，在微粒位移测量、单微粒快速起支捕获、双光束失准控制等方面取得了较大突破，有力推动了片上真空光镊系统的实用化进程。近年来，课题组重点关注真空光镊与量子信息、超表面和集成光学等领域的前沿交叉融合。

推荐文献

[1] Tengfang Kuang, Wei Xiong, Bin Luo, et al. Optical confinement efficiency in the single beam intracavity optical tweezers[J]. Optics Express,2020, 28(24): 35734-35747.

[2] Guangzong Xiao, Tengfang Kuang, Wei Xiong, et al. A PZT-assisted single particle loading method for dual-fiber optical trap in air[J]. Optics and Laser Technology,2020, 126: 106115

[3] Guangzong Xiao, Tengfang Kuang, Bin Luo, et al. Coupling between axial and radial motions of microscopic particle trapped in the intracavity optical tweezers[J]. Optics Express,2019, 27(25): 36653-36661.

[4] Wei Xiong, Guangzong Xiao, Xiang Han, et al. Back-focal-plane displacement detection using side-scattered light in dual-beam fiber-optic traps [J]. Optics Express 2017, 25(8): 9449-9457.

[5] Xinlin Chen , Guangzong Xiao, Kaiyong Yang, et al. Characteristics of the orbital rotation in dual-beam fiber-optic trap with transverse offset[J]. Optics Express, 2016, 24(15):16952- 16960.

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