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科學(xué)家發(fā)現(xiàn)激光新用途：測量微力大小 近日，一組化學(xué)科學(xué)家在美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所物理測量實(shí)驗(yàn)室（PML）的化學(xué)家GordonShaw的帶領(lǐng)下，已經(jīng)利用這一特性來開發(fā)設(shè)備，可以測量微小的力，而這一領(lǐng)域目前正缺少相應(yīng)的技術(shù)。 “對于這些很小的力，很少有相應(yīng)的參考，”Shaw說�！斑@是一種嘗試，并獲得這些研究成果�！� Shaw說的“小”，意味著是非常小。力的國際單位單位是牛頓。一個(gè)牛頓相當(dāng)于一個(gè)普通大小蘋果的重量。實(shí)驗(yàn)組正在研究對極小的力的測量，大約為幾微牛頓的力（10e-6，百萬分之一牛頓）到15飛牛頓（10e-15，一千萬億分之一牛頓），這種相當(dāng)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。 物理測量實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)目前正在開發(fā)兩種類型的測力裝置，使用激光來可靠地創(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(dāng)設(shè)計(jì)的1瓦激光的桌面裝置，但它有能被開發(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(nèi)置的參考，讓科學(xué)家們確保他們的設(shè)備真的具有正確測量力的能力。但潛在的應(yīng)用不知是對力的測量，也可以制作成廉價(jià)的便攜式現(xiàn)場天平，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(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測量。 芯片大小的天平 由該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的兩種測力計(jì)，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，長度不超過1厘米。力越大，懸臂移動(dòng)越大。一個(gè)內(nèi)置的干涉儀作為一個(gè)運(yùn)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。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(dāng)這個(gè)光照射到金表面時(shí)，其動(dòng)量會(huì)轉(zhuǎn)移到懸臂上，懸臂開始振動(dòng)。 “你可以參考想象一個(gè)調(diào)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(diào)上震動(dòng)。這也同樣的情況，”Shaw解釋說。 他們發(fā)現(xiàn)，如果從表面進(jìn)行反射激光，有一個(gè)相對簡單的方法基于激光功率來進(jìn)行計(jì)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(jī)制也可以被用來作為一個(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(xiǎn)的目標(biāo)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(shè)計(jì)上的變化也可以用來提高原子力顯微鏡的校準(zhǔn)，甚至用于測量激光功率。與目前的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”的測量激光功率的方法—一個(gè)低溫輻射計(jì)不同的是，一個(gè)基于芯片的激光功率計(jì)，這樣可以在室溫下實(shí)時(shí)使用。 “大多數(shù)激光功率計(jì)工作通過吸收光。光照到激光功率計(jì)后，它就不見了，”Shaw說。“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—只是百萬分之一瓦特，激光中仍然包含了大量的光子。在將來，Shaw說，他希望開發(fā)一種能夠利用單光子探測的力測量裝置。原因是，整數(shù)沒有不確定性；如果你計(jì)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(jì)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(zhǔn)確地計(jì)算，”Shaw說。 該方案將需要測量的是澤牛頓力（10e-21），相當(dāng)于每秒1億光子“這也是數(shù)不清的數(shù)量，”Shaw說。然而，他解釋說，他們還沒有進(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(dāng)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(dāng)他們準(zhǔn)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(shè)計(jì)他們把振動(dòng)問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)可解決的不同的問題。 “我們能夠用我們的力傳感器作為加速度計(jì)，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。“這是一種在原地振動(dòng)測試的方法，在而利用傳統(tǒng)的方法很難進(jìn)行測量�！� 靜電力天平 最后，該團(tuán)隊(duì)正在努力使用更高的激光功率所產(chǎn)生的力的實(shí)驗(yàn)，可能高達(dá)幾十千瓦，像那些用于工業(yè)應(yīng)用，如焊接和切割金屬的激光。 這個(gè)實(shí)驗(yàn)，目前設(shè)計(jì)為1瓦激光，使用桌面設(shè)備稱為電力天平（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。 |
