CN113138043B - 光压测量装置及光压测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一光压测量装置，其包括一扭秤、一激光器、一凸透镜以及一线阵列探测器，其中，所述扭秤包括一根悬空的碳纳米管和一悬挂固定于所述碳纳米管上的反射镜，所述反射镜包括一薄膜和两反射层，所述薄膜包括两层或两层以上层叠设置的二维材料，所述薄膜具有相对的第一表面和第二表面，所述两反射层分别形成于所述薄膜的第一表面和第二表面；所述激光器用于发射激光；所述凸透镜位于所述激光的光路上，用于将所述激光汇聚至所述反射镜的表面，所述激光被所述反射镜反射，形成一反射光；所述线阵列探测器位于所述反射镜的反射光路上，用于接收所述反射镜的反射光。本发明还涉及一光压测量方法。

Description

光压测量装置及光压测量方法

技术领域

本发明涉及精密仪器领域，特别涉及一种光压测量装置及光压测量方法。

背景技术

光具有波粒二像性，其传播过程中主要显示出波动性，其与物体发生作用时主要显示出粒子性。由于光的粒子性，根据动量定理，光子具有动量hν/c，会对物体产生一定的压力，大量光子长时间的作用就会形成一个稳定的压力。事实上由于光压的作用，光子会将部分的能量以动量的形式传递给物体，使物体的动能发生变化，而剩余的能量除一部分被转化成热能外，其余的则以反射光的形式辐射。当彗星在太阳旁通过时，它的尘粒与气体分子受到光压的作用，形成彗尾。光压在微重力环境下会有相对比较明显的影响，设计的未来星际远航，其中有一个动力就是光压，利用超薄光帆，调整对光源的帆向，然后得到光压，可以尽可能的节省能源。

对光压的测量显得尤为重要，但是光压的数量级相当小，难以用普通的测力装置对其进行测量。目前主要的光压测量方法大都是在列别捷夫的实验装置基础上的改进，即在光压作用下，现有扭秤扭转，通过测量转动角度的大小推导出光压大小；也有直接使用压力观测仪(压力陶瓷)进行测量的：将压力作用在测量仪上，使测量仪的电信号发生相应改变，对电信号进行放大，最终得到电压与测量压力大小之间的关系。然而，上述装置和方法的测量精度和灵敏度较低，并不适合用于测量光压。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种具有较高测量精度和灵敏度的光压测量装置及光压测量方法。

一种光压测量装置，其包括一扭秤、一激光器、一凸透镜以及一线阵列探测器，其中，所述扭秤包括一根悬空的碳纳米管和一悬挂固定于所述碳纳米管上的反射镜，所述反射镜包括一薄膜和两反射层，所述薄膜包括两层或两层以上层叠设置的二维材料，所述薄膜具有相对的第一表面和第二表面，所述两反射层分别形成于所述薄膜的第一表面和第二表面；所述激光器用于发射激光；所述凸透镜位于所述激光的光路上，用于将所述激光汇聚至所述反射镜的表面，所述激光被所述反射镜反射，形成一反射光；所述线阵列探测器位于所述反射镜的反射光路上，用于接收所述反射镜的反射光。

一种使用上述光压测量装置的光压测量方法，其具体包括以下步骤：

步骤一，使激光器发射第一激光，所述第一激光的光压力已知且记为F₁，所述第一激光经由凸透镜汇聚照射至所述扭秤的反射镜的表面，所述反射镜在第一激光的推动作用下发生第一次偏转将该第一激光反射形成一第一反射光，该第一反射光由所述线阵列探测器所接收，并从线阵列探测器中读取该第一反射光光斑的位置，记为x₁；

步骤二，通过所述激光器发射第二激光，所述第二激光的光压力未知且记为F₂，所述第二激光经由凸透镜汇聚照射至所述扭秤的反射镜的表面，所述反射镜在第二激光的推动作用下发生第二次偏转并将该第二激光反射形成形成一第二反射光，该第二反射光由所述线阵列探测器所接收，并从线阵列探测器中读取该第二反射光光斑的位置，记为x₂；

步骤三，根据第一反射光光斑的位置x₁与第二反射光斑的位置x₂得到第二反射光相比于第一反射光的偏转角度△θ，

其中，D为所述反射镜至所述线阵列探测器的距离；

步骤四，根据扭转胡克定律，求解第二激光的光压力，所述扭转胡克定律为κ×Δα＝ΔF×L，

其中，κ为所述碳纳米管的扭转刚度，△α为所述反射镜第二次偏转相比于第一次偏转的的角度，△F为第二激光与第一激光光压力的差值，L为力臂长度，其中，

ΔF＝F₂-F₁。

与现有技术相比，本发明中，单根碳纳米管具有纳米级的直径，且二维纳米材料质量轻及表面积大从而具有小的转动惯量，则采用单根碳纳米管做扭秤的扭丝及采用二维纳米材料制备扭秤的反射镜，可以使该扭秤具有极高的灵敏度和测量精度，从而使使用该扭秤的光压测量装置可以实现飞牛(fN)级别的光压力的分辨。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的光压测量装置的结构示意图。

图2为本发明实施例所提供的扭秤的主视结构示意图。

图3为本发明实施例所提供的扭秤的俯视结构示意图。

图4为本发明实施例所提供的扭秤的立体结构的示意图。

图5为本发明实施例所提供的扭秤的光学显微镜照片。

图6为本发明实施例所提供的另一种光压测量装置的结构示意图。

图7为本发明实施例所提供的光压测量装置的加工原型的照片。

图8为本发明实施例所提供的扭秤在光功率电流分别为10mA、15mA、20mA、25mA的激光照射下的光学显微镜照片。

图9为本发明实施例所提供的反射镜的实际偏转角随光功率电流变化的图。

主要元件符号说明

光压测量装置 10

扭秤 100

碳纳米管 101

碳纳米管的第一端 1011

碳纳米管的第二端 1012

碳纳米管的中间部 1013

反射镜 102

薄膜 1021

薄膜的第一表面 10211

薄膜的第二表面 10212

反射层 1022

基底 103

凹陷部 1031

激光器 200

凸透镜 300

线阵列探测器 400

光学显微镜 500

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明提供的光压测量装置及光压测量方法。

请参见图1，本发明实施例提供一种光压测量装置10，其包括一扭秤100、一激光器200、一凸透镜300以及一线阵列探测器400。所述激光器200发出的光经由所述凸透镜300聚焦后照射至所述扭秤100，然后被所述扭秤100反射形成反射光，该反射光最终为所述线阵列探测器400所接收。

具体地，请参见图2、图3，所述扭秤100包括一根悬空的碳纳米管101和一悬挂固定于所述碳纳米管101上的反射镜102，所述反射镜102包括一薄膜1021和两反射层1022，所述薄膜1021包括两层或两层以上层叠设置的二维材料，所述薄膜1021具有相对的第一表面10211和第二表面10212，所述两反射层1022形成于所述薄膜1021的第一表面10211和第二表面10212。

所述碳纳米管101可以是一根单壁碳纳米管或一根多壁碳纳米管；所述碳纳米管101也可以由一多壁碳纳米管去掉外壁而制备得到，这样所述碳纳米管的外表面超级干净，有利于所述反射镜102悬挂固定于所述碳纳米管101的表面。所述碳纳米管101的直径不限，但是所述碳纳米管101的直径越小，所述扭秤100的灵敏度和精度越高，优选地，所述碳纳米管101的直径小于10纳米。所述碳纳米管101的悬空长度不限，所述碳纳米管101的悬空长度越长，所述扭秤100的测量精度越高。本实施例中，所述碳纳米管101为一根单壁碳纳米管，所述碳纳米管101的直径为7纳米，所述碳纳米管101的悬空长度为300微米。单根碳纳米管具有纳米级的直径，采用单根碳纳米管做为扭秤的扭丝，可以提高扭秤的灵敏度和检测精度。

所述薄膜1021为一自支撑膜结构，所谓“自支撑”是指该膜结构无需通过一支撑体支撑，也能保持自身特定的形状。所述薄膜1021的形状不限，具体地，可以是长方形、圆形、三角形、其它规则或不规则的图形。优选地，所述薄膜1021为一中心对称结构，所述薄膜1021以所述碳纳米管101为轴中心对称。本实施例中，所述薄膜1021的形状为一长方形，所述薄膜1021的宽为80微米，长为120微米。

所述薄膜1021包括两层或两层以上的二维材料，该两层或两层以上的二维材料层叠设置。所述二维材料为一具有一定面积的整体结构，所谓整体结构是指该二维材料层在其所在的平面上是连续的。所述二维材料的种类不限，具体地，可以是碳纳米管膜、石墨烯、氮化硼、二硫化钼或二硫化钨等中的一种或多种。所述薄膜中二维材料的种类可以相同，也可以不相同。需要注意地是，所述碳纳米管膜往往具有多个微孔，如果所述薄膜1021仅由碳纳米管膜层叠设置而成，所述薄膜1021表面的反射层1022的厚度必须较大，才能保证反射镜102的表面平整，从而利于激光的反射，但是反射层1022的厚度增大，将不可避免地的降低所述扭秤100的灵敏度和测量精度，因此，优选地，所述碳纳米管膜可以作为其它二维材料的支撑体，与石墨烯、氮化硼、二硫化钼或二硫化钨等其它二维材料共同存在且层叠设置。

其中，所述碳纳米管膜包括多根均匀分布的碳纳米管，相邻碳纳米管之间通过范德华力紧密结合。所述多根碳纳米管无序排列或有序排列。这里的无序指碳纳米管的排列方向无规律，这里的有序指至少多数碳纳米管的排列方向具有一定的规律。具体地，当所述碳纳米管膜包括无序排列的碳纳米管时，碳纳米管相互缠绕且紧密结合，该无序排列的碳纳米管形成的碳纳米管膜各向同性。当所述碳纳米管膜包括有序排列的碳纳米管时，碳纳米管沿一个方向或者多个方向择优取向排列。所谓择优取向是指碳纳米管膜中大部分碳纳米管在某一方向上具有较大的取向几率，即碳纳米管膜中大部分碳纳米管的轴向基本沿同一方向延伸。所述碳纳米管膜可以为碳纳米管拉膜、碳纳米管絮化膜或碳纳米管碾压膜。

所述碳纳米管拉膜直接从一碳纳米管阵列中拉取获得。所述碳纳米管拉膜包括多个基本沿同一方向择优取向排列且通过范德华力首尾相连的碳纳米管，该碳纳米管基本沿拉伸方向排列并平行于该碳纳米管拉膜表面。具体地，每一碳纳米管拉膜包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行的碳纳米管，该多个相互平行的碳纳米管通过范德华力紧密结合。当所述薄膜1021包括多层层叠设置的碳纳米管拉膜时，相邻两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管的延伸方向形成一夹角α，α大于0度小于等于90度(0°<α≤90°)。所述碳纳米管拉膜的具体结构及其制备方法请参见范守善等人于2007年2月9日申请的，于2008年8月13日公开的第CN101239712A号中国大陆公开专利申请(碳纳米管膜结构及其制备方法，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请的所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。

所述碳纳米管碾压膜包括均匀分布的碳纳米管。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管沿同一方向或不同方向择优取向排列。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管相互部分交叠，并通过范德华力相互吸引，紧密结合，使得该碳纳米管结构具有很好的柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。且由于碳纳米管碾压膜中的碳纳米管之间通过范德华力相互吸引，紧密结合，使碳纳米管碾压膜为一一体的自支撑结构。所述碳纳米管碾压膜可通过碾压一碳纳米管阵列获得。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管与形成碳纳米管阵列的生长基底的表面形成一夹角β，其中，β大于等于0度且小于等于15度(0≤β≤15°)，该夹角β与施加在碳纳米管阵列上的压力有关，压力越大，该夹角越小，优选地，该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管平行于该生长基底排列。该碳纳米管碾压膜为通过碾压一碳纳米管阵列获得，依据碾压的方式不同，该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管具有不同的排列形式。当沿不同方向碾压时，碳纳米管沿不同方向择优取向排列。当沿同一方向碾压时，碳纳米管沿一固定方向择优取向排列。另外，当碾压方向为垂直该碳纳米管阵列表面时，该碳纳米管可以无序排列。

该碳纳米管碾压膜的面积与碳纳米管阵列的尺寸基本相同。该碳纳米管碾压膜厚度与碳纳米管阵列的高度以及碾压的压力有关。可以理解，碳纳米管阵列的高度越大而施加的压力越小，则制备的碳纳米管碾压膜的厚度越大；反之，碳纳米管阵列的高度越小而施加的压力越大，则制备的碳纳米管碾压膜的厚度越小。所述碳纳米管碾压膜的具体结构及其制备方法请参见范守善等人于2007年6月1日申请的第200710074699.6号中国大陆专利申请(碳纳米管膜的制备方法，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。

所述碳纳米管絮化膜包括相互缠绕且均匀分布的碳纳米管。碳纳米管的长度大于10微米，优选为200～900微米，从而使碳纳米管相互缠绕在一起。所述碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构，以形成一一体的自支撑的碳纳米管絮化膜。所述碳纳米管絮化膜各向同性。所述碳纳米管絮化膜中的碳纳米管为均匀分布，无规则排列，形成大量的孔隙结构，孔隙孔径约小于10微米。所述碳纳米管絮化膜的长度和宽度不限。由于在碳纳米管絮化膜中，碳纳米管相互缠绕，因此该碳纳米管絮化膜具有很好的柔韧性，且为一自支撑结构，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。所述碳纳米管絮化膜的具体结构及其制备方法请参见范守善等人于2007年4月13日申请的第200710074027.5号中国大陆专利申请(碳纳米管膜的制备方法，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司)。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。

由于单层二维材料的厚度非常薄，可以大大减少所述薄膜1021的厚度，即减少扭秤100中反光镜102的厚度，从而有利于提高所述扭秤100的灵敏度和测量精度。可以理解地，所述二维材料的层数不宜较多，当所述二维材料的层数较多时，所述反射镜102的质量和厚度较大，则所述反射镜102的转动惯量较大，不利于提高所述扭秤的灵敏度和测量精度，且所述反射镜102不易固定悬挂于所述碳纳米管101上，并可能导致所述碳纳米管101扭丝断裂。所述二维材料的层数为2～10层，优选地，为2～5层。

本发明实施例中，所述薄膜1021由两层碳纳米管拉膜和一层石墨烯层叠依次设置而成，即所述薄膜1021为一碳纳米管-石墨烯复合膜。其中，所述两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管的延伸方向形成的夹角为90度；所述单层石墨烯为由多个碳原子通过sp²键杂化构成的单层的二维平面六边形密排点阵结构，所述单层石墨烯可以采用机械剥离法或化学气相沉积法制备。所述薄膜1021中的碳纳米管膜和单层石墨烯相互重叠。所谓重叠，是指所述碳纳米管膜与所述石墨烯膜具有完全相同的形状和面积，当将所述石墨烯膜设置于所述碳纳米管膜表面或将所述碳纳米管膜设置于所述石墨烯膜表面时，所述石墨烯膜可以完全覆盖所述碳纳米管膜或所述碳纳米管膜可以完全覆盖所述石墨烯膜。进一步地，所述单层石墨烯中的碳原子可与所述碳纳米管拉膜中的碳原子通过sp³杂化键合，从而使所述石墨烯膜稳定地固定于所述碳纳米管膜表面。

所述薄膜1021选自碳纳米管、石墨烯或其它的二维材料，密度小、质量轻，且薄膜的表面积较大，可以提高力矩的大小，有利于对微小力和力矩的测量，可以提高扭秤100的灵敏度和测量精度。

所述薄膜1021的第一表面10211和第二表面10212均形成有反射层1022。由于通常采用蒸镀、溅射等方法形成反射层，如果仅在所述薄膜1021的一个表面形成反射层，在形成反射层之后，所述薄膜1021往往发生卷曲，因此需要在所述薄膜1021的第一表面10211和第二表面10212均形成反射层1022。所述反射层1022选用密度较小且具有较高反射率的材料。所述反射层1022可以是金属材料。所述金属材料可以是铝、银、铜、铬、铂等。所述金属材料可以通过化学气相沉积法等化学方法或真空蒸镀、磁控溅射等物理方法形成在所述薄膜102的表面。所述反射层1022的厚度不宜过小，也不宜过大。如果所述反射层1022的厚度太小时，所述反射镜102的反射率低，不利于入射激光的反射；如果所述反射层1022的厚度太大，则所述反射镜102的质量较大，所述扭秤100的灵敏度会降低。优选地，所述反射层1022的厚度为5纳米～20纳米。本实施例中，所述反射层1022选用金属铝，铝层的厚度为10纳米。

可以通过控制反射层的形成条件，使所述反射层1022具有分子级平整的表面，从而在使用所述扭秤100时，有利于精确确定薄膜1021的偏转角度，从而提高扭秤100的精度。

所述薄膜1021可以与所述碳纳米管101直接接触，或者所述薄膜102可以通过所述反射层1022与所述碳纳米管101接触，即所述薄膜1021与所述碳纳米管101之间设置有反射层1022。可以理解地，在制备所述扭秤100的过程中，可以先将所述薄膜1021悬挂固定于所述碳纳米管101上，然后在所述薄膜1021的表面形成所述反射层1022，所述碳纳米管101直接与所述薄膜1021接触，这样所述反射层1022可以将所述碳纳米管101与所述薄膜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层1022，然后再将所述薄膜1021悬挂固定于所述碳纳米管101上，这样所述单根碳纳米管101直接与所述反射层1022接触。

请参见图4，所述扭秤100可以进一步包括一基底103，所述基底103作为一固定元件，用于固定和支撑所述碳纳米管101。所述基底103的表面形成有一凹陷部1031，所述单根碳纳米管101横跨凹陷部1031设置。所述碳纳米管101包括相对的第一端1011和第二端1012以及位于第一端1011和第二端1012之间的中间部1013，所述第一端1011和所述第二端1012分别与所述基底103的表面接触并固定于所述基底103的表面，所述碳纳米管101的中间部1013在所述凹陷部1031的位置悬空，所述薄膜1021悬挂于悬空的碳纳米管表面。所述基底103的材料和尺寸不限，具体可以根据实际应用而设定。

所述凹陷部1031应该具有一定的深度和宽度，以便在所述薄膜1021受微小力的作用绕所述碳纳米管101转动时，为所述薄膜1021的转动提供空间。所述凹陷部1031的尺寸不限，具体的可以根据实际应用而设定。所述凹陷部1031可以为一通孔；所述凹陷部1031也可以为一盲孔。所述通孔或盲孔的形状不限，可以是圆形、方形或其它规则或不规则的图形。

所述薄膜1021悬挂固定于所述碳纳米管101的表面，相对于凹陷部1031，所述薄膜1021的设置位置不限，比如所述薄膜1021可以设置于所述凹陷部1031的内部，或者也可以设置于所述凹陷部1031的外部。

本实施例中，所述基底103的表面形成有一通孔，所述通孔为一300微米*300微米的方形孔。

请参见图5，为本发明实施例所使用的扭秤100的光学显微镜照片，由于所述碳纳米管的管径只有7纳米，因此所述碳纳米管并没有在照片中显现出来。

具体应用时，所述扭秤的使用原理如下所述：首先提供一激光光源，向所述反射镜的表面发射激光；所述激光由所述反射镜的表面反射，并记录最初反射光斑的位置；待反射镜表面受微小力的作用而发生偏转后，记录偏转后反射光斑的位置；根据反射镜发生偏转前后，反射光斑的位置，计算出微小力的大小。

所述激光器200用于发射激光，所述激光器200的种类不限，任何能够发射激光的装置都可用于本案。

所述凸透镜300位于所述激光的光路上，用于将所述激光汇聚至所述反射镜102的表面，所述激光被所述反射镜102反射，形成一反射光。所述凸透镜300的种类不限，任何具有聚焦功能的透镜均可用于本案。

所述线阵列探测器400位于所述反射镜102的反射光路上，用于接收所述反射镜102的反射光。所述线阵列探测器400可以检测所接收的反射光斑的位置。

进一步地，请参见图6，为观测方便，所述光压测量装置可以进一步包括一光学显微镜500，所述光学显微镜500用于观察所述扭秤100。通过所述光学显微镜500，可以观察所述扭秤100的反射镜102是否发生偏转，也可以通过所述光学显微镜500观察测量所述反射镜102受微小力的力臂长度，便于计算光压。所述光学显微镜的放置位置不变，只要能够观察到所述扭秤100即可，优选地，所述光学显微镜500正对所述扭秤设置，即所述扭秤100的中心点在所述光学显微镜500的轴线上。

图7为本发明实施例所提供的光压测量装置的加工原型的照片，在实际应用时，所述扭秤100放置于一真空腔内，这样可以避免外界气流波动对光压值的影响，该真空腔具有一石英窗，经由所述凸透镜300的光透过该石英窗入射至所述反射镜102的表面。由于扭秤100的尺寸较小，仅为微米级别，所以并不能清晰地在图7中显现。

本发明实施例进一步提供一种使用上述光压测量装置10的光压测量方法，其具体包括以下步骤：

步骤一，使激光器200发射第一激光，所述第一激光的光压力已知且记为F₁，所述第一激光经由凸透镜300汇聚照射至所述扭秤100的反射镜102的表面，所述反射镜102在第一激光的推动作用下发生第一次偏转将该第一激光反射形成一第一反射光，该第一反射光由所述线阵列探测器400所接收，并从线阵列探测器400中读取该第一反射光光斑的位置，记为x₁；

步骤二，通过所述激光器200发射第二激光，所述第二激光的光压力未知且记为F₂，所述第二激光经由凸透镜300汇聚照射至所述扭秤100的反射镜102的表面，所述反射镜102在第二激光的推动作用下发生第二次偏转并将该第二激光反射形成形成一第二反射光，该第二反射光由所述线阵列探测器400所接收，并从线阵列探测器中读取该第二反射光光斑的位置，记为x₂；

步骤三，根据第一反射光光斑的位置x₁与第二反射光斑的位置x₂得到第二反射光相比于第一反射光的偏转角度△θ，

其中，D为所述反射镜102至所述线阵列探测器400的距离；

步骤四，根据扭转胡克定律，求解第二激光的光压力，所述扭转胡克定律为κ×Δα＝ΔF×L，

其中，κ为所述碳纳米管101的扭转刚度，△α为所述反射镜102第二次偏转相比于第一次偏转的的角度，△F为第二激光与第一激光光压力的差值，L为力臂长度，其中，

ΔF＝F₂-F₁。

在步骤一中，当使用第一激光照射所述反射镜102时，反射镜102会以平衡位置为中心以固有频率小幅度扭转摆动，也就是第一反射光的光斑在线阵列探测器400上会以x₁这个位置为中心往返移动，线阵列探测器400可以以1ms间隔连续读取很多组数据，然后求解这些数据的平均值，就可以得到所述第一反射光的光斑在所述线阵列探测器400上的位置x₁。

在步骤二中，以与步骤一相同的方法确定第二反射光的光斑在所述线阵列探测器400上的位置x₂。

在步骤三中，第二反射光相比于第一反射光的偏转角度△θ采用弧度制。

在步骤四中，所述力臂长度L可以通过所述光学显微镜500在电脑中的成像软件测量得到。

所述碳纳米管101的扭转刚度κ可以通过下述公式计算得到：

κ＝I×ω²。

其中，I为所述扭秤100的转动惯量，假设所述反射镜102的长为a，宽b，厚h，所述反射层的密度为ρ，则转动惯量

ω为所述碳纳米管101摆动的固有频率，所述碳纳米管101与所述反射镜102以同样的固有频率摆动。当使用第一激光照射所述反射镜102时，所述反射镜102会以平衡位置为中心以固有频率ω小幅扭转摆动，第一反射光斑同样会按照相同的固有频率ω在线阵列探测器400上以位置x₁这个位置为中心往返移动，线阵列探测器400可以以1ms间隔连续读取很多组数据，可以得到第一反射光斑中心的位置随时间的变化关系，通过傅里叶变换可以直接得到固有频率ω。进一步地，为减少测量误差，可以通过改变所述激光器200的激光功率，改变反射镜102的平衡位置，在不同的平衡位置多测几次固有频率ω，最终求出平均的扭转刚度κ。

在扭转刚度κ、所述反射镜102第二次偏转相比于第一次偏转的的角度△α及力臂长度L已知的情况下，可以很容易地求解出第二激光与第一激光光压力的差值△F，进而求解出第二激光的光压力。

本发明实施例中，分别采用光功率电流为10毫安(mA)、15mA、20mA、25mA的激光照射所述扭秤100的反射镜102，得到的扭秤100的光学显微镜照片如图8所示。请参见图8，在激光照射下，所述扭秤100的反射镜102发生偏转，且激光的光功率越大，反射镜102偏转的角度越大。由此可知，本发明实施例所采用的扭秤100能够感受到激光的光压，在激光光压的作用下能够发生扭转。

进一步地，本发明实施例进一步降低所述激光器200的光功率电流至纳安(nA)级别，使所述激光器200的光功率电流分别为41nA、42nA、43nA、44nA、45nA、46nA、47nA、48nA、49nA、50nA，所发射的激光功率、根据光功率求解得到的光压力、测得的反射光斑位置、理论偏转角及实际偏转角这些参数如下表所示：

从上表可以看出，所述反射镜102的实际偏转角远小于理论偏转角，这主要是因为实际操作存在各种损耗，比如真空腔石英窗对光的反射、反射镜102表面的反射率比较小等。可见，在实际操作中，所述反射镜102所受到的光压力远小于上表中所求解得到的理论光压力，说明本发明实施例所提供的光压测量装置10其实对比fN小两个数量级的力也是敏感的。

请参见图9，所述反射镜102的实际偏转角与激光的理论光压力为线性相关，且回归平方和R²接近1。可见，也可以采用多个已知光功率的激光照射所述反射镜102，利用所述线阵列探测器400探测得到多个偏转角度，进而得到实际偏转角随理论光压力变化的关系，当采用未知光功率的光照射所述反射镜102时，就可以根据反射镜102实际偏转角及实际偏转角与理论光压力的关系，求解得到未知光功率的光的光压力。

与现有技术相比，本发明中，单根碳纳米管具有纳米级的直径，且二维纳米材料质量轻及表面积大从而具有小的转动惯量，则采用单根碳纳米管做扭秤的扭丝及采用二维纳米材料制备扭秤的反射镜，可以使该扭秤具有极高的灵敏度和测量精度，从而使使用该扭秤的光压测量装置可以实现fN级别的光压力的分辨，甚至能够实现比fN小两个数量级的光压力的分辨。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种光压测量装置，其包括一扭秤、一激光器、一凸透镜以及一线阵列探测器，其中，所述扭秤包括一根悬空的碳纳米管和一悬挂固定于所述碳纳米管上的反射镜，所述反射镜包括一薄膜和两反射层，所述薄膜包括两层或两层以上层叠设置的二维材料，所述薄膜具有相对的第一表面和第二表面，所述反射层分别形成于所述薄膜的第一表面和第二表面；所述激光器用于发射激光；所述凸透镜位于所述激光的光路上，用于将所述激光汇聚至所述反射镜的表面，所述激光被所述反射镜反射，形成一反射光；所述线阵列探测器位于所述反射镜的反射光路上，用于接收所述反射镜的反射光。

2.如权利要求1所述的光压测量装置，其特征在于，所述二维材料为碳纳米管膜、石墨烯、氮化硼、二硫化钼或二硫化钨中的一种或多种。

3.如权利要求2所述的光压测量装置，其特征在于，所述碳纳米管膜包括多根碳纳米管，相邻碳纳米管之间通过范德华力紧密结合。

4.如权利要求1所述的光压测量装置，其特征在于，所述薄膜由两层碳纳米管拉膜和一单层石墨烯依次层叠设置而成，其中，所述两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管的延伸方向形成一夹角α，α大于0度小于等于90度。

5.如权利要求1所述的光压测量装置，其特征在于，所述薄膜为一中心对称结构，所述薄膜以所述碳纳米管为轴中心对称。

6.如权利要求1所述的光压测量装置，其特征在于，所述扭秤进一步包括一基底，所述基底用于固定和支撑所述碳纳米管，所述基底的表面形成有一凹陷部，所述碳纳米管横跨所述凹陷部，所述碳纳米管包括一第一端和一第二端以及位于第一端和第二端之间的中间部，所述碳纳米管的第一端和第二端与所述基底的表面接触，所述碳纳米管的中间部位于所述基底的凹陷部的上方且相对于所述基底的凹陷部悬空设置。

7.如权利要求6所述的光压测量装置，其特征在于，所述基底的凹陷部为一通孔或一盲孔。

8.如权利要求1所述的光压测量装置，其特征在于，所述光压测量装置进一步包括一显微镜，所述显微镜用于观察所述扭秤。

9.一种采用如权利要求1～8所述光压测量装置的光压测量方法，包括以下步骤：

步骤一，使所述激光器发射第一激光，所述第一激光的光压力已知且记为F₁，所述第一激光经由凸透镜汇聚照射至所述扭秤的反射镜的表面，所述反射镜在第一激光的推动作用下发生第一次偏转将该第一激光反射形成一第一反射光，该第一反射光由所述线阵列探测器所接收，并从线阵列探测器中读取该第一反射光光斑的位置，记为x₁；

步骤二，通过所述激光器发射第二激光，所述第二激光的光压力未知且记为F₂，所述第二激光经由凸透镜汇聚照射至所述扭秤的反射镜的表面，所述反射镜在第二激光的推动作用下发生第二次偏转并将该第二激光反射形成形成一第二反射光，该第二反射光由所述线阵列探测器所接收，并从线阵列探测器中读取该第二反射光光斑的位置，记为x₂；

步骤三，根据第一反射光光斑的位置x₁与第二反射光斑的位置x₂得到第二反射光相比于第一反射光的偏转角度△θ，

其中，D为所述反射镜102至所述线阵列探测器400的距离；

步骤四，根据扭转胡克定律，求解第二激光的光压力，所述扭转胡克定律为

κ×Δα＝ΔF×L，

其中，κ为所述碳纳米管101的扭转刚度，△α为所述反射镜102第二次偏转相比于第一次偏转的的角度，△F为第二激光与第一激光光压力的差值，L为力臂长度，其中，

ΔF＝F₂-F₁。

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