光镊技术

光镊技术自上世纪七十年代由阿瑟·阿什金开创以来，作为捕获和操纵中性粒子的通用工具，已在分子生物学、纳米技术和实验物理学等领域得到广泛研究和应用。基于光镊技术的传感与精密测量系统，通过激光束悬浮传感单元，而非与装置固连，相比传统固态传感器，无机械耗散。此外，与液体或空气介质中的光镊系统不同，在真空中运作的光镊系统可实现传感单元与环境的完全隔离。基于上述优势，基础物理学和应用物理学领域科学家对真空光镊开展了大量研究。本文回顾了真空光镊技术的基本概念和发展历史，帮助读者全面了解该领域。

关键词：

光镊；真空光阱；激光冷却

光学检测已经成为当前科学以及应用领域最精密的测量方法，在时间、频率、位置等精密测量领域发挥了重要的作用。基于光力相互作用，光学还实现了高灵敏度力学及相关物理量的测量，例如引力波的探测以及光镊技术在生物中的操控和测量都已经获得了诺贝尔物理学奖。而真空光镊技术通过在真空环境中光学悬浮微纳颗粒，能最大程度隔绝环境噪声对测量过程的干扰，进一步提高测量稳定性和灵敏度，可以实现力、质量、加速度、扭矩及电磁场等物理量的高精度测量。

在真空光镊体系中，实验上通过对悬浮粒子位置和运动行为的高精度探测与分析来实现相关物理量的高灵敏检测。因此，悬浮粒子的运动行为操控以及将测量信号转换为实际位移的校准过程是其两项核心技术。当前，运动行为操控的不完美以及信号校准的误差将直接导致测量灵敏度和准确度的降低。现行的校准方案一般都是基于悬浮粒子质量信息与外加辅助力实现的。然后，在微纳尺度下粒子质量和外加力的测量是相当困难，且测量或估算误差较大，无法减小真空光镊系统的校准误差，严重制约着真空光镊体系的发展和应用。