科學(xué)家發(fā)現激光新用途 測量微力大小

　　光子的特性是奇怪的：他們沒(méi)有質(zhì)量，但他們卻有動(dòng)量。這使得研究人員能夠用光子實(shí)現一些非傳統的事情，比如利用光子推動(dòng)周?chē)奈镔|(zhì)。

　　近日，一組化學(xué)科學(xué)家在美國國家標準技術(shù)研究所物理測量實(shí)驗室(PML)的化學(xué)家GordonShaw的帶領(lǐng)下，已經(jīng)利用這一特性來(lái)開(kāi)發(fā)設備，可以測量微小的力，而這一領(lǐng)域目前正缺少相應的技術(shù)。

　　“對于這些很小的力，很少有相應的參考，”Shaw說(shuō)。“這是一種嘗試，并獲得這些研究成果。”

　　Shaw說(shuō)的“小”，意味著(zhù)是非常小。力的國際單位單位是牛頓。一個(gè)牛頓相當于一個(gè)普通大小蘋(píng)果的重量。實(shí)驗組正在研究對極小的力的測量，大約為幾微牛頓的力(10e-6，百萬(wàn)分之一牛頓)到15飛牛頓(10e-15，一千萬(wàn)億分之一牛頓)，這種相當于原子水平的相互作用力。一個(gè)皮牛頓(10e-12)“能拉伸一個(gè)DNA分子，”Shaw說(shuō)。

　　物理測量實(shí)驗室的團隊目前正在開(kāi)發(fā)兩種類(lèi)型的測力裝置，使用激光來(lái)可靠地創(chuàng )建較小的力。首先是一個(gè)芯片大小的傳感器，可以使用微瓦到毫瓦功率的光。二是恰當設計的1瓦激光的桌面裝置，但它有能被開(kāi)發(fā)成功率為幾十千瓦激光的潛力。

　　最終的商業(yè)用途可能包括傳感器，使用激光作為一個(gè)內置的參考，讓科學(xué)家們確保他們的設備真的具有正確測量力的能力。但潛在的應用不知是對力的測量，也可以制作成廉價(jià)的便攜式現場(chǎng)天平，進(jìn)行一毫克或更少的物質(zhì)的即時(shí)測量，或制作成緊湊的激光功率計進(jìn)行實(shí)時(shí)的測量。

　　芯片大小的天平

　　由該研究團隊開(kāi)發(fā)的兩種測力計，較小的是由石英玻璃制成的一個(gè)芯片大小的傳感器。它由一個(gè)小懸臂，一個(gè)微型跳水板組成，長(cháng)度不超過(guò)1厘米。力越大，懸臂移動(dòng)越大。一個(gè)內置的干涉儀作為一個(gè)運動(dòng)傳感器。

　　物理上推動(dòng)跳水板是用于測量力的一個(gè)方法來(lái)。但研究人員還需要測量他們的傳感器的靈敏度。測量靈敏度的最佳方法是將一個(gè)著(zhù)名的力施加到懸臂上，看看干涉儀是如何測量的。

　　為了利用光進(jìn)行操縱懸臂，他們在其上裝配了一個(gè)高反射性表面，黃金涂層的表面，可以反射光纖上的光。當這個(gè)光照射到金表面時(shí)，其動(dòng)量會(huì )轉移到懸臂上，懸臂開(kāi)始振動(dòng)。

　　“你可以參考想象一個(gè)調音叉，你打擊之后，它會(huì )在一個(gè)特定的頻率或特定的音調上震動(dòng)。這也同樣的情況，”Shaw解釋說(shuō)。

　　他們發(fā)現，如果從表面進(jìn)行反射激光，有一個(gè)相對簡(jiǎn)單的方法基于激光功率來(lái)進(jìn)行計算力的大小。功率越高，產(chǎn)生的光子越多，產(chǎn)生的力也就越大。

　　此外，由于懸臂的諧振頻率的變化幾乎瞬間完成的，如果一個(gè)物體被放置在它上面，該機制也可以被用來(lái)作為一個(gè)非常敏感的天平，特別是對那些是非常有價(jià)值的或危險的目標物品。例如，珠寶商可以使用它作為對寶石衡量和定價(jià)一個(gè)更便宜的替代方式。它甚至可以作為一個(gè)便攜式領(lǐng)域的一次性工具，用于測量有害物質(zhì)的樣品。

　　基于這種設計上的變化也可以用來(lái)提高原子力顯微鏡的校準，甚至用于測量激光功率。與目前的“黃金標準”的測量激光功率的方法—一個(gè)低溫輻射計不同的是，一個(gè)基于芯片的激光功率計，這樣可以在室溫下實(shí)時(shí)使用。

　　“大多數激光功率計工作通過(guò)吸收光。光照到激光功率計后，它就不見(jiàn)了，”Shaw說(shuō)。“有了這樣的一種方法，光被反射了，你仍然可以使用它。”

　　單光子的力

　　但即使在目前所使用的低激光功率情況下—只是百萬(wàn)分之一瓦特，激光中仍然包含了大量的光子。在將來(lái)，Shaw說(shuō)，他希望開(kāi)發(fā)一種能夠利用單光子探測的力測量裝置。原因是，整數沒(méi)有不確定性;如果你計算單個(gè)光子，你知道每個(gè)光子產(chǎn)生多少力，那么你可以計算出力。

　　“這可能是目前最精確測量力的方法，如果我們可以準確地計算，”Shaw說(shuō)。

　　該方案將需要測量的是澤牛頓力(10e-21)，相當于每秒1億光子“這也是數不清的數量，”Shaw說(shuō)。然而，他解釋說(shuō)，他們還沒(méi)有進(jìn)展到那里。這將需要一段時(shí)間。

　　首先，他們必須弄清楚如何冷卻單光子力傳感器到絕對零度以上的幾分之一度，這需要一個(gè)低溫恒溫器。但是，當他們了解到硬件工作的方式，一個(gè)典型的低溫恒溫器會(huì )產(chǎn)生太多的振動(dòng)，干擾了如此精確的測量，比他們可以接受的程度要大10000倍。

　　當他們準備在一個(gè)新的，不震動(dòng)的低溫恒溫器中測試他們的原型時(shí)，設計他們把振動(dòng)問(wèn)題轉化為一個(gè)可解決的不同的問(wèn)題。

　　“我們能夠用我們的力傳感器作為加速度計，這讓我們能夠測量出低溫恒溫器產(chǎn)生了多少振動(dòng)，”Shaw說(shuō)。“這是一種在原地振動(dòng)測試的方法，在而利用傳統的方法很難進(jìn)行測量。”

　　靜電力天平

　　最后，該團隊正在努力使用更高的激光功率所產(chǎn)生的力的實(shí)驗，可能高達幾十千瓦，像那些用于工業(yè)應用，如焊接和切割金屬的激光。

　　這個(gè)實(shí)驗，目前設計為1瓦激光，使用桌面設備稱(chēng)為電力天平(EFB)。正如它的芯片大小的近似產(chǎn)品，EFB依靠高反射鏡和激光來(lái)創(chuàng )建一個(gè)可測量的力。但不是使用一個(gè)干涉儀，EFB是利用一個(gè)電容器來(lái)測量靜電力，是兩個(gè)同心圓筒組成的板。在真空中，研究人員從鏡面反射1瓦特激光，然后利用電容器測量力。

　　作為一個(gè)更小的激光傳感器，這些測量中使用的激光是不會(huì )丟失的，它離開(kāi)鏡面，理論上可以直接用在工廠(chǎng)的激光加工過(guò)程中。

　　即使對于那些高功率激光束，產(chǎn)生的力也“真的，真的很小，”Shaw說(shuō)。“我沒(méi)1瓦特激光對應納牛頓。如果你把雙原子分開(kāi)，需要幾個(gè)納牛頓的力(10e-9)。”

　　Shaw說(shuō)，能夠使用基本的一個(gè)物理原理進(jìn)行精確測量力，這是很令人興奮的，激光功率在如此大的范圍，從毫克量級的物體到原子之間的相互作用。“因為還處于基本的研究階段，對于開(kāi)發(fā)新的方法會(huì )有一個(gè)小的空間，并且要用不同的方式進(jìn)行思考問(wèn)題，”Shaw說(shuō)。