科学家发现激光新用途 测量微力大小很厉害！

光子的特性是奇怪的：他们没有质量，但他们却有动量。这使得研究人员能够用光子实现一些非传统的事情，比如利用光子推动周围的物质。

近日，一组化学科学家在美国国家标准技术研究所物理测量实验室（PML）的化学家GordonShaw的带领下，已经利用这一特性来开发设备，可以测量微小的力，而这一领域目前正缺少相应的技术。

“对于这些很小的力，很少有相应的参考，”Shaw说。“这是一种尝试，并获得这些研究成果。”

Shaw说的“小”，意味着是非常小。力的国际单位单位是牛顿。一个牛顿相当于一个普通大小苹果的重量。实验组正在研究对极小的力的测量，大约为几微牛顿的力（10e-6，百万分之一牛顿）到15飞牛顿（10e-15，一千万亿分之一牛顿），这种相当于原子水平的相互作用力。一个皮牛顿（10e-12）“能拉伸一个DNA分子，”Shaw说。

物理测量实验室的团队目前正在开发两种类型的测力装置，使用激光来可靠地创建较小的力。首先是一个芯片大小的传感器，可以使用微瓦到毫瓦功率的光。二是恰当设计的1瓦激光的桌面装置，但它有能被开发成功率为几十千瓦激光的潜力。

最终的商业用途可能包括传感器，使用激光作为一个内置的参考，让科学家们确保他们的设备真的具有正确测量力的能力。但潜在的应用不知是对力的测量，也可以制作成廉价的便携式现场天平，进行一毫克或更少的物质的即时测量，或制作成紧凑的激光功率计进行实时的测量。

芯片大小的天平

由该研究团队开发的两种测力计，较小的是由石英玻璃制成的一个芯片大小的传感器。它由一个小悬臂，一个微型跳水板组成，长度不超过1厘米。力越大，悬臂移动越大。一个内置的干涉仪作为一个运动传感器。

物理上推动跳水板是用于测量力的一个方法来。但研究人员还需要测量他们的传感器的灵敏度。测量灵敏度的最佳方法是将一个著名的力施加到悬臂上，看看干涉仪是如何测量的。

为了利用光进行操纵悬臂，他们在其上装配了一个高反射性表面，黄金涂层的表面，可以反射光纤上的光。当这个光照射到金表面时，其动量会转移到悬臂上，悬臂开始振动。

“你可以参考想象一个调音叉，你打击之后，它会在一个特定的频率或特定的音调上震动。这也同样的情况，”Shaw解释说。

他们发现，如果从表面进行反射激光，有一个相对简单的方法基于激光功率来进行计算力的大小。功率越高，产生的光子越多，产生的力也就越大。

此外，由于悬臂的谐振频率的变化几乎瞬间完成的，如果一个物体被放置在它上面，该机制也可以被用来作为一个非常敏感的天平，特别是对那些是非常有价值的或危险的目标物品。例如，珠宝商可以使用它作为对宝石衡量和定价一个更便宜的替代方式。它甚至可以作为一个便携式领域的一次性工具，用于测量有害物质的样品。

基于这种设计上的变化也可以用来提高原子力显微镜的校准，甚至用于测量激光功率。与目前的“黄金标准”的测量激光功率的方法—一个低温辐射计不同的是，一个基于芯片的激光功率计，这样可以在室温下实时使用。

“大多数激光功率计工作通过吸收光。光照到激光功率计后，它就不见了，”Shaw说。“有了这样的一种方法，光被反射了，你仍然可以使用它。”

单光子的力

但即使在目前所使用的低激光功率情况下—只是百万分之一瓦特，激光中仍然包含了大量的光子。在将来，Shaw说，他希望开发一种能够利用单光子探测的力测量装置。原因是，整数没有不确定性;如果你计算单个光子，你知道每个光子产生多少力，那么你可以计算出力。

“这可能是目前最精确测量力的方法，如果我们可以准确地计算，”Shaw说。

该方案将需要测量的是泽牛顿力（10e-21），相当于每秒1亿光子“这也是数不清的数量，”Shaw说。然而，他解释说，他们还没有进展到那里。这将需要一段时间。

首先，他们必须弄清楚如何冷却单光子力传感器到绝对零度以上的几分之一度，这需要一个低温恒温器。但是，当他们了解到硬件工作的方式，一个典型的低温恒温器会产生太多的振动，干扰了如此精确的测量，比他们可以接受的程度要大10000倍。

当他们准备在一个新的，不震动的低温恒温器中测试他们的原型时，设计他们把振动问题转化为一个可解决的不同的问题。

“我们能够用我们的力传感器作为加速度计，这让我们能够测量出低温恒温器产生了多少振动，”Shaw说。“这是一种在原地振动测试的方法，在而利用传统的方法很难进行测量。”

静电力天平

最后，该团队正在努力使用更高的激光功率所产生的力的实验，可能高达几十千瓦，像那些用于工业应用，如焊接和切割金属的激光。

这个实验，目前设计为1瓦激光，使用桌面设备称为电力天平（EFB）。正如它的芯片大小的近似产品，EFB依靠高反射镜和激光来创建一个可测量的力。但不是使用一个干涉仪，EFB是利用一个电容器来测量静电力，是两个同心圆筒组成的板。在真空中，研究人员从镜面反射1瓦特激光，然后利用电容器测量力。

作为一个更小的激光传感器，这些测量中使用的激光是不会丢失的，它离开镜面，理论上可以直接用在工厂的激光加工过程中。

即使对于那些高功率激光束，产生的力也“真的，真的很小，”Shaw说。“我没1瓦特激光对应纳牛顿。如果你把双原子分开，需要几个纳牛顿的力（10e-9）。”

Shaw说，能够使用基本的一个物理原理进行精确测量力，这是很令人兴奋的，激光功率在如此大的范围，从毫克量级的物体到原子之间的相互作用。“因为还处于基本的研究阶段，对于开发新的方法会有一个小的空间，并且要用不同的方式进行思考问题，”Shaw说。