真空光镊顾名思义是在真空环境中利用光力悬浮微纳颗粒的一类实验系统。真空环境和光悬浮条件使得微纳颗粒完全脱离了环境与基底的干扰，成为了一种接近完美的介观谐振体系。从经典的角度来看，真空光悬浮颗粒是一种微观谐振子体系。这使得微纳颗粒的热运动受到经典热运动涨落的影响，成为一种研究微观热力学的优良体系。而从量子的角度来看，真空光悬浮颗粒包含超过一百万个原子。其运动状态表现出宏观量子现象的特征，包括微粒运动测量过程中的海森堡极限和机械谐振子声子与腔场光子的耦合等等。因此，真空光镊既拥有接近量子极限的测量精度，又具有极弱的环境耦合噪声。这些特性又使得真空光镊成为一种颇具前景的微型精密测量体系。利用外界物理量与微粒的相互作用对微粒运动状态的影响，真空光镊可以被用于包括力、加速度、电场、扭矩、质量的紧密测量。
一颗悬浮中的纳米颗粒，被532nm激光所照亮
当任何待测物理量与悬浮颗粒相互作用时，都会表现为对悬浮颗粒的一个作用力。这个作用力可以是惯性力、电磁力、卡西米尔力、引力、阻尼力、冲击力等等。通过测量悬浮颗粒在待测物理量相关的力作用下的运动状态特征，就可以实现对作用力，以及该作用力相关的物理量的测量。故而，光悬浮微纳颗粒的精密测量的性能水平直接决定了其对待测物理量的测量水平。光悬浮颗粒的运动状态的测量的研究方向包括 1. 更高的测量信噪比 2. 更准确位移信号标定方案 3. 更易部署的测量装置。
为了实现更准确的位移信号标定，我们提出了利用聚焦高斯光场的非线性实现位移信号标定的方案。所有位移测量方案直接输出的都是与位移相关的电信号。在使用这些信号之前，需要使用转换系数将电压信号转换为真实位移信号，以实现位移信号的标定。转换信号的标定通常来自于系统中的一个已知物理量，比如颗粒的质量、光阱处的电场强度等。然而，纳米颗粒的质量测量或微纳尺度的电场测量本身是难以实现的，而借助间接或仿真手段获得标定量与实际的真实值之间存在很大的误差。位移信号的标定误差直接影响测量系统测量结果的准确性。
利用这种方式，我们实现了1% 误差的纳米颗粒位移信号标定精度。并且将这种标定方式的可施行气压，推广到了从50mbar到超高真空的范围。基本覆盖了真空光悬浮体系的主要工作气压。
非线性标定原理示意图
对纳米材料的包括质量、密度、尺寸、组分等的属性测量是相关材料研究的重要前提。然而，传统的纳米材料表征手段缺乏足够的精度，使得在诸如质量、表面积、密度等属性的测量上，只能基于大量材料的平均化结果。这一方面导致测量结果的误差，更重要的是忽略了纳米材料样品的个体差异。即使是同一批次合成的材料，其颗粒间的组分、结构、质量等仍然存在差异。这种差异反映了更多的与纳米材料相关的信息，有利于对相关纳米材料结构的解读和合成路径的优化。
单纳米颗粒的属性测量需要相关的测量系统具备两个能力，一是单个纳米颗粒的分离能力，二是足够高的测量精度。真空光镊体系则同时具备这两种能力。利用光镊悬浮，我们可以将单一个纳米颗粒分离出来，并置于测量系统的焦点之中。真空悬浮环境隔离了环境噪声的影响，为测量提供了低噪声的良好环境。在实现位移信号的非线性标定后。利用像完成标定的电场力这样的已知外力的作用情况，就可以解读出颗粒的质量。利用热平衡状态的统计信息，就可以得到颗粒的温度。而利用阻尼系数的测量结构，就可以得到颗粒的尺寸，进而得到颗粒的密度。
故而，利用真空光镊系统，我们对一颗百纳米尺度的光悬浮的二氧化硅小球进行了质量和密度的测量。该纳米颗粒的质量仅为3.8飞克，质量测量的误差为2.2%。接着，我们对光悬浮纳米颗粒的质量和温度随气压变化而发生的变化进行了跟踪检测。实验发现，二氧化硅小球在气压降低的过程中，会发生质量缓慢下降和突然下降的不同变化，同时伴随着温度的升高和降低。同时，不同纳米颗粒发生质量突然下降的气压和温度存在很大差异。这一现象不能用已有的水分子解离模型解释。可能来自于纳米颗粒的内部结构特征。
纳米二氧化硅颗粒的质量、温度、振动频率、电荷随气压的变化
光悬浮力学体系的一个重要课题就是悬浮纳米颗粒的运动状态控制。悬浮纳米颗粒的运动状态包括平移振动、转动、扭转、进动等，主要涉及其三个平移自由度和三个转动自由度。运动状态的控制，就是利用主动或被动的方式，使得纳米颗粒的运动远离热平衡状态，进入某种非平衡状态。比如说质心运动温度的冷却、驱动颗粒旋转、冷却颗粒的扭动、增益颗粒的振幅等。
研究悬浮纳米颗粒运动状态控制的有几个目的，
一、是宏观量子态的制备要求将悬浮振动体系的声子数降低到可分辨的水平。这需要对颗粒的质心运动温度进行基态冷却。同时，特殊宏观量子态的指标，如Fock态、叠加态等，也离不开高精度的运动控制能力。
二、是在超高真空环境下，由于阻尼力的缺失，悬浮纳米颗粒的运动容易进入不稳定的状态，从而使得悬浮颗粒从势阱中丢失。为了避免这一情况的发生，需要使用运动控制的方式，稳定颗粒的捕获状态。
三、提高系统的精密测量能力。比如，通过高速旋转的悬浮颗粒，实现对系统角速度的测量。利用振幅增益的悬浮颗粒，放大非线性效应，从而实现更准确的位移标定。
利用参数反馈控制方案，我们能够实现对悬浮纳米颗粒平动自由度的控制。实现了10mK的质心运动冷却。以及包括超窄线宽声子激光在内的任意非平衡稳态的制备。这些运动控制手段将有利于悬浮体系在精密测量和热平衡热力学上的研究。
超窄线宽声子激光频谱