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中國科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在高靈敏光學(xué)檢測研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)孫方穩(wěn)教授小組與新加坡國立大學(xué)仇成偉教授團(tuán)隊(duì)合作，基于真空光鑷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了高精度全光學(xué)的質(zhì)量和位置測量。該研究成果發(fā)表在物理學(xué)知名期刊《Physical Review Letters》上。
光學(xué)檢測已經(jīng)成為當(dāng)前科學(xué)以及應(yīng)用領(lǐng)域最精密的測量方法，在時(shí)間、頻率、位置等精密測量領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用?；诠饬ο嗷プ饔茫鈱W(xué)還實(shí)現(xiàn)了高靈敏度力學(xué)及相關(guān)物理量的測量，例如引力波的探測以及光鑷技術(shù)在生物中的操控和測量都已經(jīng)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。而真空光鑷技術(shù)通過在真空環(huán)境中光學(xué)懸浮微納顆粒，能最大程度隔絕環(huán)境噪聲對(duì)測量過程的干擾，進(jìn)一步提高測量穩(wěn)定性和靈敏度，可以實(shí)現(xiàn)力、質(zhì)量、加速度、扭矩及電磁場等物理量的高精度測量。
在真空光鑷體系中，實(shí)驗(yàn)上通過對(duì)懸浮粒子位置和運(yùn)動(dòng)行為的高精度探測與分析來實(shí)現(xiàn)相關(guān)物理量的高靈敏檢測。因此，懸浮粒子的運(yùn)動(dòng)行為操控以及將測量信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際位移的校準(zhǔn)過程是其兩項(xiàng)核心技術(shù)。當(dāng)前，運(yùn)動(dòng)行為操控的不完美以及信號(hào)校準(zhǔn)的誤差將直接導(dǎo)致測量靈敏度和準(zhǔn)確度的降低?，F(xiàn)行的校準(zhǔn)方案一般都是基于懸浮粒子質(zhì)量信息與外加輔助力實(shí)現(xiàn)的。然后，在微納尺度下粒子質(zhì)量和外加力的測量是相當(dāng)困難，且測量或估算誤差較大，無法減小真空光鑷系統(tǒng)的校準(zhǔn)誤差，嚴(yán)重制約著真空光鑷體系的發(fā)展和應(yīng)用。
圖1. 全光學(xué)質(zhì)量、位置測量示意圖
圖2. 飛克級(jí)質(zhì)量測量結(jié)果
孫方穩(wěn)小組近年來致力于真空光鑷實(shí)驗(yàn)體系相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，提出利用數(shù)字化反饋控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了懸浮粒子運(yùn)動(dòng)行為的實(shí)時(shí)精確操控，完成了冷卻、幅值鎖定和頻率鎖定等關(guān)鍵技術(shù)。此外，系統(tǒng)研究了懸浮粒子在非簡諧勢(shì)場下的非線性運(yùn)動(dòng)過程，獲得了其運(yùn)動(dòng)幅值與勢(shì)場非線性導(dǎo)致的振動(dòng)頻率移動(dòng)的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)上，基于幅值鎖定技術(shù)，通過精確測量一顆直徑約為150nm的懸浮二氧化硅小球的非線性頻率移動(dòng)，獲得了該粒子振動(dòng)幅值的精確值，從而實(shí)現(xiàn)了高精度高準(zhǔn)確度的運(yùn)動(dòng)信號(hào)校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)方案無需微粒質(zhì)量信息及外力的輔助，相關(guān)指標(biāo)超過了當(dāng)前所有已知的校準(zhǔn)方案。進(jìn)一步，利用該高精度校準(zhǔn)的真空光鑷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了亞皮米級(jí)靈敏度的位置測量和飛克量級(jí)微粒的質(zhì)量測量，其測量結(jié)果的相對(duì)不確定度分別可達(dá)1%和2.2%。該位置與質(zhì)量測量不確定度是當(dāng)前相關(guān)測量體系所能獲得的最好水平，并為與質(zhì)量有關(guān)的力和加速度的精密測量打下了基礎(chǔ)。此外，該系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了單個(gè)微粒的尺寸和密度的測量，為獲取微納尺度物質(zhì)的參數(shù)和性能提供了新的方法。
光鑷鏈接：高速多光阱納米光鑷
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