美物理测量实验室利用光子特性测微力大小获成功
- 2016/8/31 17:11:17 11089
- 来源：实验帮
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。
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。测量灵敏度的佳方法是将一个的力施加到悬臂上，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
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。
（原标题：科学家发现激光新用途 测量微力大小）
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