TWI738225B - 光壓測量裝置及光壓測量方法 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及一光壓測量裝置，其包括一扭秤、一雷射器、一凸透鏡以及一線陣列探測器，其中，所述扭秤包括一根懸空的奈米碳管和一懸掛固定於所述奈米碳管上的反射鏡，所述反射鏡包括一薄膜和兩反射層，所述薄膜包括兩層或兩層以上層迭設置的二維材料，所述薄膜具有相對的第一表面和第二表面，所述兩反射層分別形成於所述薄膜的第一表面和第二表面；所述雷射器用於發射雷射；所述凸透鏡位於所述雷射的光路上，用於將所述雷射彙聚至所述反射鏡的表面，所述雷射被所述反射鏡反射，形成一反射光；所述線陣列探測器位於所述反射鏡的反射光路上，用於接收所述反射鏡的反射光。本發明還涉及一光壓測量方法。
Description
本發明涉及精密儀器領域，特別涉及一種光壓測量裝置及光壓測量方法。
光具有波粒二像性，其傳播過程中主要顯示出波動性，其與物體發生作用時主要顯示出粒子性。由於光的粒子性，根據動量定理，光子具有動量hν/c，會對物體產生一定的壓力，大量光子長時間的作用就會形成一個穩定的壓力。事實上由於光壓的作用，光子會將部分的能量以動量的形式傳遞給物體，使物體的動能發生變化，而剩餘的能量除一部分被轉化成熱能外，其餘的則以反射光的形式輻射。當彗星在太陽旁藉由時，它的塵粒與氣體分子受到光壓的作用，形成彗尾。光壓在微重力環境下會有相對比較明顯的影響，設計的未來星際遠航，其中有一個動力就是光壓，利用超薄光帆，調整對光源的帆向，然後得到光壓，可以盡可能的節省能源。
對光壓的測量顯得尤為重要，但是光壓的數量級相當小，難以用普通的測力裝置對其進行測量。目前主要的光壓測量方法大都是在列別捷夫的實驗裝置基礎上的改進，即在光壓作用下，先前扭秤扭轉，藉由測量轉動角度的大小推導出光壓大小；也有直接使用壓力觀測儀(壓力陶瓷)進行測量的：將壓力作用在測量儀上，使測量儀的電信號發生相應改變，對電信號進行放大，最
終得到電壓與測量壓力大小之間的關係。然而，上述裝置和方法的測量精度和靈敏度較低，並不適合用於測量光壓。
有鑑於此，確有必要提供一種具有較高測量精度和靈敏度的光壓測量裝置及光壓測量方法。
一種光壓測量裝置，其包括一扭秤、一雷射器、一凸透鏡以及一線陣列探測器，其中，所述扭秤包括一根懸空的奈米碳管和一懸掛固定於所述奈米碳管上的反射鏡，所述反射鏡包括一薄膜和兩反射層，所述薄膜包括兩層或兩層以上層迭設置的二維材料，所述薄膜具有相對的第一表面和第二表面，所述兩反射層分別形成於所述薄膜的第一表面和第二表面；所述雷射器用於發射雷射；所述凸透鏡位於所述雷射的光路上，用於將所述雷射彙聚至所述反射鏡的表面，所述雷射被所述反射鏡反射，形成一反射光；所述線陣列探測器位於所述反射鏡的反射光路上，用於接收所述反射鏡的反射光。
一種使用上述光壓測量裝置的光壓測量方法，其具體包括以下步驟：步驟一，使雷射器發射第一雷射，所述第一雷射的光壓力已知且記為F1，所述第一雷射經由凸透鏡彙聚照射至所述扭秤的反射鏡的表面，所述反射鏡在第一雷射的推動作用下發生第一次偏轉將該第一雷射反射形成一第一反射光，該第一反射光由所述線陣列探測器所接收，並從線陣列探測器中讀取該第一反射光光斑的位置，記為x 1；步驟二，藉由所述雷射器發射第二雷射，所述第二雷射的光壓力未知且記為F2，所述第二雷射經由凸透鏡彙聚照射至所述扭秤的反射鏡的表面，所述反射鏡在第二雷射的推動作用下發生第二次偏轉並將該第二雷射反射形成形成一
第二反射光，該第二反射光由所述線陣列探測器所接收，並從線陣列探測器中讀取該第二反射光光斑的位置，記為x 2；步驟三，根據第一反射光光斑的位置x 1與第二反射光斑的位置x 2得到第二反射光相比於第一反射光的偏轉角度△θ，
其中，D為所述反射鏡至所述線陣列探測器的距離；步驟四，根據扭轉胡克定律，求解第二雷射的光壓力，所述扭轉胡克定律為κ×△α=△F×L，其中，κ為所述奈米碳管的扭轉剛度，△α為所述反射鏡第二次偏轉相比於第一次偏轉的的角度，△F為第二雷射與第一雷射光壓力的差值，L為力臂長度，其中，
，△F=F 2-F 1。
與先前技術相比，本發明中，單根奈米碳管具有奈米級的直徑，且二維奈米材料品質輕及表面積大從而具有小的轉動慣量，則採用單根奈米碳管做扭秤的扭絲及採用二維奈米材料製備扭秤的反射鏡，可以使該扭秤具有極高的靈敏度和測量精度，從而使使用該扭秤的光壓測量裝置可以實現飛牛(fN)級別的光壓力的分辨。
10:光壓測量裝置
100:扭秤
101:奈米碳管
1011:奈米碳管的第一端
1012:奈米碳管的第二端
1013:奈米碳管的中間部
102:反射鏡
1021:薄膜
10211:薄膜的第一表面
10212:薄膜的第二表面
1022:反射層
103:基底
1031:凹陷部
200:雷射器
300:凸透鏡
400:線陣列探測器
500:光學顯微鏡
圖1為本發明實施例所提供的光壓測量裝置的結構示意圖.
圖2為本發明實施例所提供的扭秤的前視結構示意圖。
圖3為本發明實施例所提供的扭秤的俯視結構示意圖。
圖4為本發明實施例所提供的扭秤的立體結構的示意圖。
圖5為本發明實施例所提供的扭秤的光學顯微鏡照片。
圖6為本發明實施例所提供的另一種光壓測量裝置的結構示意圖。
圖7為本發明實施例所提供的光壓測量裝置的加工原型的照片。
圖8為本發明實施例所提供的扭秤在光功率電流分別為10mA、15mA、20mA、25mA的雷射照射下的光學顯微鏡照片。
圖9為本發明實施例所提供的反射鏡的實際偏轉角隨光功率電流變化的圖。
以下將結合附圖詳細說明本發明提供的光壓測量裝置及光壓測量方法。
請一併參閱圖1，本發明實施例提供一種光壓測量裝置10，其包括一扭秤100、一雷射器200、一凸透鏡300以及一線陣列探測器400。所述雷射器200發出的光經由所述凸透鏡300聚焦後照射至所述扭秤100，然後被所述扭秤100反射形成反射光，該反射光最終為所述線陣列探測器400所接收。
具體地，請一併參閱圖2、圖3，所述扭秤100包括一根懸空的奈米碳管101和一懸掛固定於所述奈米碳管101上的反射鏡102，所述反射鏡102包括一薄膜1021和兩反射層1022，所述薄膜1021包括兩層或兩層以上層迭設置的二維材料，所述薄膜1021具有相對的第一表面10211和第二表面10212，所述兩反射層1022形成於所述薄膜1021的第一表面10211和第二表面10212。
所述奈米碳管101可以是一根單壁奈米碳管或一根多壁奈米碳管；所述奈米碳管101也可以由一多壁奈米碳管去掉外壁而製備得到，這樣所述奈米碳管的外表面超級乾淨，有利於所述反射鏡102懸掛固定於所述奈米碳管101的表面。所述奈米碳管101的直徑不限，但是所述奈米碳管101的直徑越小，所述扭秤100的靈敏度和精度越高，優選地，所述奈米碳管101的直徑小於10奈
米。所述奈米碳管101的懸空長度不限，所述奈米碳管101的懸空長度越長，所述扭秤100的測量精度越高。本實施例中，所述奈米碳管101為一根單壁奈米碳管，所述奈米碳管101的直徑為7奈米，所述奈米碳管101的懸空長度為300微米。單根奈米碳管具有奈米級的直徑，採用單根奈米碳管做為扭秤的扭絲，可以提高扭秤的靈敏度和檢測精度。
所述薄膜1021為一自支撐膜結構，所謂“自支撐”是指該膜結構無需藉由一支撐體支撐，也能保持自身特定的形狀。所述薄膜1021的形狀不限，具體地，可以是長方形、圓形、三角形、其它規則或不規則的圖形。優選地，所述薄膜1021為一中心對稱結構，所述薄膜1021以所述奈米碳管101為軸中心對稱。本實施例中，所述薄膜1021的形狀為一長方形，所述薄膜1021的寬為80微米，長為120微米。
所述薄膜1021包括兩層或兩層以上的二維材料，該兩層或兩層以上的二維材料層迭設置。所述二維材料為一具有一定面積的一體結構，所謂一體結構是指該二維材料層在其所在的平面上是連續的。所述二維材料的種類不限，具體地，可以是奈米碳管膜、石墨烯、氮化硼、二硫化鉬或二硫化鎢等中的一種或多種。所述薄膜中二維材料的種類可以相同，也可以不相同。需要注意地是，所述奈米碳管膜往往具有複數微孔，如果所述薄膜1021僅由奈米碳管膜層迭設置而成，所述薄膜1021表面的反射層1022的厚度必須較大，才能保證反射鏡102的表面平整，從而利於雷射的反射，但是反射層1022的厚度增大，將不可避免地的降低所述扭秤100的靈敏度和測量精度，因此，優選地，所述奈米碳管膜可以作為其它二維材料的支撐體，與石墨烯、氮化硼、二硫化鉬或二硫化鎢等其它二維材料共同存在且層迭設置。
其中，所述奈米碳管膜包括多根均勻分佈的奈米碳管，相鄰奈米碳管之間藉由凡得瓦爾力緊密結合。所述多根奈米碳管無序排列或有序排列。
這裡的無序指奈米碳管的排列方向無規律，這裡的有序指至少多數奈米碳管的排列方向具有一定的規律。具體地，當所述奈米碳管膜包括無序排列的奈米碳管時，奈米碳管相互纏繞且緊密結合，該無序排列的奈米碳管形成的奈米碳管膜各向同性。當所述奈米碳管膜包括有序排列的奈米碳管時，奈米碳管沿一個方向或者複數方向擇優取向排列。所謂擇優取向是指奈米碳管膜中大部分奈米碳管在某一方向上具有較大的取向幾率，即奈米碳管膜中大部分奈米碳管的軸向基本沿同一方向延伸。所述奈米碳管膜可以為奈米碳管拉膜、奈米碳管絮化膜或奈米碳管碾壓膜。
所述奈米碳管拉膜直接從一奈米碳管陣列中拉取獲得。所述奈米碳管拉膜包括複數基本沿同一方向擇優取向排列且藉由凡得瓦爾力首尾相連的奈米碳管，該奈米碳管基本沿拉伸方向排列並平行於該奈米碳管拉膜表面。具體地，每一奈米碳管拉膜包括複數連續且定向排列的奈米碳管片段，該複數奈米碳管片段藉由凡得瓦爾力首尾相連，每一奈米碳管片段包括複數相互平行的奈米碳管，該複數相互平行的奈米碳管藉由凡得瓦爾力緊密結合。當所述薄膜1021包括多層層迭設置的奈米碳管拉膜時，相鄰兩層奈米碳管拉膜中的奈米碳管的延伸方向形成一夾角α，α大於0度小於等於90度(0°<α
90°)。所述奈米碳管拉膜的具體結構及其製備方法請一併參閱范守善等人於2007年2月9日申請的，於2008年8月13日公開的第CN101239712A號中國大陸公開專利申請(奈米碳管膜結構及其製備方法，申請人：清華大學，鴻富錦精密工業(深圳)有限公司)。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請的所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。
所述奈米碳管碾壓膜包括均勻分佈的奈米碳管。所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管沿同一方向或不同方向擇優取向排列。所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管相互部分交疊，並藉由凡得瓦爾力相互吸引，緊密結合，使得該
奈米碳管結構具有很好的柔韌性，可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂。且由於奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管之間藉由凡得瓦爾力相互吸引，緊密結合，使奈米碳管碾壓膜為一一體的自支撐結構。所述奈米碳管碾壓膜可藉由碾壓一奈米碳管陣列獲得。所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管與形成奈米碳管陣列的生長基底的表面形成一夾角β，其中，β大於等於0度且小於等於15度(0
β
15°)，該夾角β與施加在奈米碳管陣列上的壓力有關，壓力越大，該夾角越小，優選地，該奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管平行於該生長基底排列。該奈米碳管碾壓膜為藉由碾壓一奈米碳管陣列獲得，依據碾壓的方式不同，該奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管具有不同的排列形式。當沿不同方向碾壓時，奈米碳管沿不同方向擇優取向排列。當沿同一方向碾壓時，奈米碳管沿一固定方向擇優取向排列。另外，當碾壓方向為垂直該奈米碳管陣列表面時，該奈米碳管可以無序排列。
該奈米碳管碾壓膜的面積與奈米碳管陣列的尺寸基本相同。該奈米碳管碾壓膜厚度與奈米碳管陣列的高度以及碾壓的壓力有關。可以理解，奈米碳管陣列的高度越大而施加的壓力越小，則製備的奈米碳管碾壓膜的厚度越大；反之，奈米碳管陣列的高度越小而施加的壓力越大，則製備的奈米碳管碾壓膜的厚度越小。所述奈米碳管碾壓膜的具體結構及其製備方法請一併參閱范守善等人於2007年6月1日申請的第200710074699.6號中國大陸專利申請(奈米碳管膜的製備方法，申請人：清華大學，鴻富錦精密工業(深圳)有限公司)。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。
所述奈米碳管絮化膜包括相互纏繞且均勻分佈的奈米碳管。奈米碳管的長度大於10微米，優選為200~900微米，從而使奈米碳管相互纏繞在一起。所述奈米碳管之間藉由凡得瓦爾力相互吸引、纏繞，形成網路狀結構，以形成一一體的自支撐的奈米碳管絮化膜。所述奈米碳管絮化膜各向同性。所述
奈米碳管絮化膜中的奈米碳管為均勻分佈，無規則排列，形成大量的孔隙結構，孔隙孔徑約小於10微米。所述奈米碳管絮化膜的長度和寬度不限。由於在奈米碳管絮化膜中，奈米碳管相互纏繞，因此該奈米碳管絮化膜具有很好的柔韌性，且為一自支撐結構，可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂。所述奈米碳管絮化膜的具體結構及其製備方法請一併參閱范守善等人於2007年4月13日申請的第200710074027.5號中國大陸專利申請(奈米碳管膜的製備方法，申請人：清華大學，鴻富錦精密工業(深圳)有限公司)。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部分。
由於單層二維材料的厚度非常薄，可以大大減少所述薄膜1021的厚度，即減少扭秤100中反射鏡102的厚度，從而有利於提高所述扭秤100的靈敏度和測量精度。可以理解地，所述二維材料的層數不宜較多，當所述二維材料的層數較多時，所述反射鏡102的品質和厚度較大，則所述反射鏡102的轉動慣量較大，不利於提高所述扭秤的靈敏度和測量精度，且所述反射鏡102不易固定懸掛於所述奈米碳管101上，並可能導致所述奈米碳管101扭絲斷裂。所述二維材料的層數為2~10層，優選地，為2~5層。
本發明實施例中，所述薄膜1021由兩層奈米碳管拉膜和一層石墨烯層迭依次設置而成，即所述薄膜1021為一奈米碳管-石墨烯複合膜。其中，所述兩層奈米碳管拉膜中的奈米碳管的延伸方向形成的夾角為90度；所述單層石墨烯為由複數碳原子藉由sp2鍵雜化構成的單層的二維平面六邊形密排點陣結構，所述單層石墨烯可以採用機械剝離法或化學氣相沉積法製備。所述薄膜1021中的奈米碳管膜和單層石墨烯相互重疊。所謂重疊，是指所述奈米碳管膜與所述石墨烯膜具有完全相同的形狀和面積，當將所述石墨烯膜設置於所述奈米碳管膜表面或將所述奈米碳管膜設置於所述石墨烯膜表面時，所述石墨烯膜可以完全覆蓋所述奈米碳管膜或所述奈米碳管膜可以完全覆蓋所述石墨烯膜。進一步
地，所述單層石墨烯中的碳原子可與所述奈米碳管拉膜中的碳原子藉由sp3雜化鍵合，從而使所述石墨烯膜穩定地固定於所述奈米碳管膜表面。
所述薄膜1021選自奈米碳管、石墨烯或其它的二維材料，密度小、品質輕，且薄膜的表面積較大，可以提高力矩的大小，有利於對微小力和力矩的測量，可以提高扭秤100的靈敏度和測量精度。
所述薄膜1021的第一表面10211和第二表面10212均形成有反射層1022。由於通常採用蒸鍍、濺射等方法形成反射層，如果僅在所述薄膜1021的一個表面形成反射層，在形成反射層之後，所述薄膜1021往往發生捲曲，因此需要在所述薄膜1021的第一表面10211和第二表面10212均形成反射層1022。所述反射層1022選用密度較小且具有較高反射率的材料。所述反射層1022可以是金屬材料。所述金屬材料可以是鋁、銀、銅、鉻、鉑等。所述金屬材料可以藉由化學氣相沉積法等化學方法或真空蒸鍍、磁控濺射等物理方法形成在所述薄膜102的表面。所述反射層1022的厚度不宜過小，也不宜過大。如果所述反射層1022的厚度太小時，所述反射鏡102的反射率低，不利於入射雷射的反射；如果所述反射層1022的厚度太大，則所述反射鏡102的品質較大，所述扭秤100的靈敏度會降低。優選地，所述反射層1022的厚度為5奈米~20奈米。本實施例中，所述反射層1022選用金屬鋁，鋁層的厚度為10奈米。
可以藉由控制反射層的形成條件，使所述反射層1022具有分子級平整的表面，從而在使用所述扭秤100時，有利於精確確定薄膜1021的偏轉角度，從而提高扭秤100的精度。
所述薄膜1021可以與所述奈米碳管101直接接觸，或者所述薄膜102可以藉由所述反射層1022與所述奈米碳管101接觸，即所述薄膜1021與所述奈米碳管101之間設置有反射層1022。可以理解地，在製備所述扭秤100的過程中，可以先將所述薄膜1021懸掛固定於所述奈米碳管101上，然後在所述
薄膜1021的表面形成所述反射層1022，所述奈米碳管101直接與所述薄膜1021接觸，這樣所述反射層1022可以將所述奈米碳管101與所述薄膜1021包覆固定在一起。也可以先在所述薄膜1021的表面形成所述反射層1022，然後再將所述薄膜1021懸掛固定於所述奈米碳管101上，這樣所述單根奈米碳管101直接與所述反射層1022接觸。
請一併參閱圖4，所述扭秤100可以進一步包括一基底103，所述基底103作為一固定組件，用於固定和支撐所述奈米碳管101。所述基底103的表面形成有一凹陷部1031，所述單根奈米碳管101橫跨凹陷部1031設置。所述奈米碳管101包括相對的第一端1011和第二端1012以及位於第一端1011和第二端1012之間的中間部1013，所述第一端1011和所述第二端1012分別與所述基底103的表面接觸並固定於所述基底103的表面，所述奈米碳管101的中間部1013在所述凹陷部1031的位置懸空，所述薄膜1021懸掛於懸空的奈米碳管表面。所述基底103的材料和尺寸不限，具體可以根據實際應用而設定。
所述凹陷部1031應該具有一定的深度和寬度，以便在所述薄膜1021受微小力的作用繞所述奈米碳管101轉動時，為所述薄膜1021的轉動提供空間。所述凹陷部1031的尺寸不限，具體的可以根據實際應用而設定。所述凹陷部1031可以為一通孔；所述凹陷部1031也可以為一盲孔。所述通孔或盲孔的形狀不限，可以是圓形、方形或其它規則或不規則的圖形。
所述薄膜1021懸掛固定於所述奈米碳管101的表面，相對於凹陷部1031，所述薄膜1021的設置位置不限，比如所述薄膜1021可以設置於所述凹陷部1031的內部，或者也可以設置於所述凹陷部1031的外部。
本實施例中，所述基底103的表面形成有一通孔，所述通孔為一300微米*300微米的方形孔。
請一併參閱圖5，為本發明實施例所使用的扭秤100的光學顯微鏡照片，由於所述奈米碳管的管徑只有7奈米，因此所述奈米碳管並沒有在照片中顯現出來。
具體應用時，所述扭秤的使用原理如下所述：首先提供一雷射光源，向所述反射鏡的表面發射雷射；所述雷射由所述反射鏡的表面反射，並記錄最初反射光斑的位置；待反射鏡表面受微小力的作用而發生偏轉後，記錄偏轉後反射光斑的位置；根據反射鏡發生偏轉前後，反射光斑的位置，計算出微小力的大小。
所述雷射器200用於發射雷射，所述雷射器200的種類不限，任何能夠發射雷射的裝置都可用於本案。
所述凸透鏡300位於所述雷射的光路上，用於將所述雷射彙聚至所述反射鏡102的表面，所述雷射被所述反射鏡102反射，形成一反射光。所述凸透鏡300的種類不限，任何具有聚焦功能的透鏡均可用於本案。
所述線陣列探測器400位於所述反射鏡102的反射光路上，用於接收所述反射鏡102的反射光。所述線陣列探測器400可以檢測所接收的反射光斑的位置。
進一步地，請一併參閱圖6，為觀測方便，所述光壓測量裝置可以進一步包括一光學顯微鏡500，所述光學顯微鏡500用於觀察所述扭秤100。藉由所述光學顯微鏡500，可以觀察所述扭秤100的反射鏡102是否發生偏轉，也可以藉由所述光學顯微鏡500觀察測量所述反射鏡102受微小力的力臂長度，便於計算光壓。所述光學顯微鏡的放置位置不變，只要能夠觀察到所述扭秤100即可，優選地，所述光學顯微鏡500正對所述扭秤設置，即所述扭秤100的中心點在所述光學顯微鏡500的軸線上。
圖7為本發明實施例所提供的光壓測量裝置的加工原型的照片，在實際應用時，所述扭秤100放置於一真空腔內，這樣可以避免外界氣流波動對光壓值的影響，該真空腔具有一石英窗，經由所述凸透鏡300的光透過該石英窗入射至所述反射鏡102的表面。由於扭秤100的尺寸較小，僅為微米級別，所以並不能清晰地在圖7中顯現。
本發明實施例進一步提供一種使用上述光壓測量裝置10的光壓測量方法，其具體包括以下步驟：步驟一，使雷射器200發射第一雷射，所述第一雷射的光壓力已知且記為F 1，所述第一雷射經由凸透鏡300彙聚照射至所述扭秤100的反射鏡102的表面，所述反射鏡102在第一雷射的推動作用下發生第一次偏轉將該第一雷射反射形成一第一反射光，該第一反射光由所述線陣列探測器400所接收，並從線陣列探測器400中讀取該第一反射光光斑的位置，記為x 1；步驟二，藉由所述雷射器200發射第二雷射，所述第二雷射的光壓力未知且記為F 2，所述第二雷射經由凸透鏡300彙聚照射至所述扭秤100的反射鏡102的表面，所述反射鏡102在第二雷射的推動作用下發生第二次偏轉並將該第二雷射反射形成形成一第二反射光，該第二反射光由所述線陣列探測器400所接收，並從線陣列探測器中讀取該第二反射光光斑的位置，記為x 2；步驟三，根據第一反射光光斑的位置x 1與第二反射光斑的位置x 2得到第二反射光相比於第一反射光的偏轉角度△θ，
其中，D為所述反射鏡102至所述線陣列探測器400的距離；步驟四，根據扭轉胡克定律，求解第二雷射的光壓力，所述扭轉胡克定律為κ×△α=△F×L，
其中，κ為所述奈米碳管101的扭轉剛度，△α為所述反射鏡102第二次偏轉相比於第一次偏轉的的角度，△F為第二雷射與第一雷射光壓力的差值，L為力臂長度，其中，
，△F=F 2-F 1。
在步驟一中，當使用第一雷射照射所述反射鏡102時，反射鏡102會以平衡位置為中心以固有頻率小幅度扭轉擺動，也就是第一反射光的光斑線上陣列探測器400上會以x 1這個位置為中心往返移動，線陣列探測器400可以以1ms間隔連續讀取很多組資料，然後求解這些資料的平均值，就可以得到所述第一反射光的光斑在所述線陣列探測器400上的位置x 1。
在步驟二中，以與步驟一相同的方法確定第二反射光的光斑在所述線陣列探測器400上的位置x 2。
在步驟三中，第二反射光相比於第一反射光的偏轉角度△θ採用弧度制。
在步驟四中，所述力臂長度L可以藉由所述光學顯微鏡500在電腦中的成像軟體測量得到。
所述奈米碳管101的扭轉剛度κ可以藉由下述公式計算得到：κ=I×ω 2，其中，I為所述扭秤100的轉動慣量，假設所述反射鏡102的長為a，寬b，厚h，所述反射層的密度為ρ，則轉動慣量
。
ω為所述奈米碳管101擺動的固有頻率，所述奈米碳管101與所述反射鏡102以同樣的固有頻率擺動。當使用第一雷射照射所述反射鏡102時，所述反射鏡102會以平衡位置為中心以固有頻率ω小幅扭轉擺動，第一反射光斑同樣會按照相同的固有頻率ω線上陣列探測器400上以位置x 1這個位置為中心往返移動，線陣列探測器400可以以1ms間隔連續讀取很多組資料，可以得到第一反射光斑中心的位置隨時間的變化關係，藉由傅裡葉變換可以直接得到固有頻率ω。進一步地，為減少測量誤差，可以藉由改變所述雷射器200的雷射功
率，改變反射鏡102的平衡位置，在不同的平衡位置多測幾次固有頻率ω，最終求出平均的扭轉剛度κ。
在扭轉剛度κ、所述反射鏡102第二次偏轉相比於第一次偏轉的的角度△α及力臂長度L已知的情況下，可以很容易地求解出第二雷射與第一雷射光壓力的差值△F，進而求解出第二雷射的光壓力。
本發明實施例中，分別採用光功率電流為10毫安培(mA)、15mA、20mA、25mA的雷射照射所述扭秤100的反射鏡102，得到的扭秤100的光學顯微鏡照片如圖8所示。請一併參閱圖8，在雷射照射下，所述扭秤100的反射鏡102發生偏轉，且雷射的光功率越大，反射鏡102偏轉的角度越大。由此可知，本發明實施例所採用的扭秤100能夠感受到雷射的光壓，在雷射光壓的作用下能夠發生扭轉。
進一步地，本發明實施例進一步降低所述雷射器200的光功率電流至奈安(nA)級別，使所述雷射器200的光功率電流分別為41nA、42nA、43nA、44nA、45nA、46nA、47nA、48nA、49nA、50nA，所發射的雷射功率、根據光功率求解得到的光壓力、測得的反射光斑位置、理論偏轉角及實際偏轉角這些參數如下表所示：
從上表可以看出，所述反射鏡102的實際偏轉角遠小於理論偏轉角，這主要是因為實際操作存在各種損耗，比如真空腔石英窗對光的反射、反射鏡102表面的反射率比較小等。可見，在實際操作中，所述反射鏡102所受到的光壓力遠小於上表中所求解得到的理論光壓力，說明本發明實施例所提供的光壓測量裝置10其實對比fN小兩個數量級的力也是敏感的。
請一併參閱圖9，所述反射鏡102的實際偏轉角與雷射的理論光壓力為線性相關，且回歸平方和R2接近1。可見，也可以採用複數已知光功率的雷射照射所述反射鏡102，利用所述線陣列探測器400探測得到複數偏轉角度，進而得到實際偏轉角隨理論光壓力變化的關係，當採用未知光功率的光照射所述反射鏡102時，就可以根據反射鏡102實際偏轉角及實際偏轉角與理論光壓力的關係，求解得到未知光功率的光的光壓力。
與先前技術相比，本發明中，單根奈米碳管具有奈米級的直徑，且二維奈米材料品質輕及表面積大從而具有小的轉動慣量，則採用單根奈米碳管做扭秤的扭絲及採用二維奈米材料製備扭秤的反射鏡，可以使該扭秤具有極高的靈敏度和測量精度，從而使使用該扭秤的光壓測量裝置可以實現fN級別的光壓力的分辨，甚至能夠實現比fN小兩個數量級的光壓力的分辨。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專
利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10:光壓測量裝置
100:精密扭秤
200:雷射器
300:凸透鏡
400:線陣列探測器
Claims (9)
- 一種光壓測量裝置，其包括一扭秤、一雷射器、一凸透鏡以及一線陣列探測器，其中，所述扭秤包括一根懸空的奈米碳管和一懸掛固定於所述奈米碳管上的反射鏡，所述反射鏡包括一薄膜和兩反射層，所述薄膜包括兩層或兩層以上層迭設置的二維材料，所述薄膜具有相對的第一表面和第二表面，所述反射層分別形成於所述薄膜的第一表面和第二表面；所述雷射器用於發射雷射；所述凸透鏡位於所述雷射的光路上，用於將所述雷射彙聚至所述反射鏡的表面，所述雷射被所述反射鏡反射，形成一反射光；所述線陣列探測器位於所述反射鏡的反射光路上，用於接收所述反射鏡的反射光。
- 如請求項1所述之光壓測量裝置，其中，所述二維材料為碳納米管膜、石墨烯、氮化硼、二硫化鉬或二硫化鎢等中的一種或多種。
- 如請求項2所述之光壓測量裝置，其中，所述奈米碳管膜包括多根奈米碳管，相鄰奈米碳管之間藉由凡得瓦爾力緊密結合。
- 如請求項1所述之光壓測量裝置，其中，所述薄膜由兩層奈米碳管拉膜和一單層石墨烯依次層迭設置而成，其中，所述兩層奈米碳管拉膜中的奈米碳管的延伸方向形成一夾角α，α大於0度小於等於90度。
- 如請求項1所述之光壓測量裝置，其中，所述薄膜為一中心對稱結構，所述薄膜以所述奈米碳管為軸中心對稱。
- 如請求項1所述之光壓測量裝置，其中，所述扭秤進一步包括一基底，所述基底用於固定和支撐所述奈米碳管，所述基底的表面形成有一凹陷部，所述奈米碳管橫跨所述凹陷部，所述奈米碳管包括一第一端和一第二端以及位於第一端和第二端之間的中間部，所述奈米碳管的第一端和第二端與所述基底的表面接觸，所述奈米碳管的中間部位於所述基底的凹陷部的上方且相對於所述基底的凹陷部懸空設置。
- 如請求項6所述之光壓測量裝置，其中，所述基底的凹陷部為一通孔或一盲孔。
- 如請求項1所述之光壓測量裝置，其中，所述光壓測量裝置進一步包括一顯微鏡，所述顯微鏡用於觀察所述扭秤。
- 一種採用如請求項1~8所述光壓測量裝置的光壓測量方法，包括以下步驟：步驟一，使所述雷射器發射第一雷射，所述第一雷射的光壓力已知且記為F 1，所述第一雷射經由凸透鏡彙聚照射至所述扭秤的反射鏡的表面，所述反射鏡在第一雷射的推動作用下發生第一次偏轉將該第一雷射反射形成一第一反射光，該第一反射光由所述線陣列探測器所接收，並從線陣列探測器中讀取該第一反射光光斑的位置，記為x 1；步驟二，藉由所述雷射器發射第二雷射，所述第二雷射的光壓力未知且記為F 2，所述第二雷射經由凸透鏡彙聚照射至所述扭秤的反射鏡的表面，所述反射鏡在第二雷射的推動作用下發生第二次偏轉並將該第二雷射反射形成形成一第二反射光，該第二反射光由所述線陣列探測器所接收，並從線陣列探測器中讀取該第二反射光光斑的位置，記為x 2；步驟三，根據第一反射光光斑的位置x 1與第二反射光斑的位置x 2得到第二反射光相比於第一反射光的偏轉角度△θ，
，△F=F 2-F 1。
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| Ivan Ryger, Alexandra B. Artusio-Glimpse, Paul Williams, Nathan Tomlin,Michelle Stephens, Kyle Rogers, Matthew Spidell, and John Lehman,"Micromachined Force Scale for Optical Power Measurement by Radiation Pressure Sensing",IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 18, NO. 19, OCTOBER 1, 2018。 |
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