空间引力波探测任务需要具有亚微牛级推力分辨率和推力噪声的微推力器来实现卫星平台高精度无拖曳控制任务, 为了在地面对所需微推力器的推力进行标定, 设计并研制了一套基于扭摆的亚微牛级推力测量系统。该系统选用高精度、高分辨率电容式位移传感器作为扭摆角位移传感装置, 利用高精度电子天平对静电梳进行标定, 再利用该静电梳标定扭摆, 得到推力与角位移的关系。此外, 研究了高精度弱力标定技术和亚微牛级微推力在线测量技术, 分析了测量误差来源以及控制方案, 最后利用静电梳产生标准弱力测量扭摆推力分辨能力和范围等。实验结果表明: 该系统可测推力范围为0~400 μN, 分辨率达到01 μN, 背景噪声功率谱密度优于01 μN/Hz(10 mHz~1 Hz), 满足空间引力波探测在10 mHz~1 Hz频段推力测量需求。

光镊技术是激光技术的重大发明，能利用光的动量与物质相互作用产生光势阱效应，已成为微纳米微粒操控和皮牛顿力测量的重要工具。光镊技术不仅丰富和推进了光学领域的发展，也为光学与多学科的交叉融合架起了一座桥梁，彰显出了它独特而不可替代的作用。综述回顾了30 年来光镊理论和技术的发展，系统梳理了光镊在细胞生物学、单分子生物学、软物质胶体科学以及物理纳米科学等领域的应用，并列举典型的应用实例，探讨了光镊技术应用的特点，展望了光镊技术应用蓬勃发展的美好未来。

泰克实时频谱仪存储的IQT格式数据文件的特殊结构给后期实验数据处理带来不便。分析了IQT文件的存储结构, 说明了泰克实时频谱仪的IQT格式数据文件的后台处理过程, 通过数学方法提高了文件中频变弱信号的强度; 通过对频谱仪实验数据进行数学处理, 得到了兰州重离子加速器冷却储存环36Ar18+离子束的纵向电子冷却力大小随离子-电子相对速度的变化曲线。该处理方法弥补了频谱仪离线分析软件的局限性。

设计了相应的电磁力施加装置以实现对超细径光纤熔融拉伸力的精确控制。采用有限元法分析不同线圈参数下电磁线圈与永磁铁之间电磁力的大小, 获得电磁力与线圈各参数间的数学关系式。以拉伸系统性能要求及线圈骨架的外形尺寸为限制条件建立约束方程及目标函数进行优化求解, 得到最优参数。在依据优化参数制作电磁线圈的基础上设计了电磁力控制电路, 通过调节线圈电流精确控制电磁力。最后, 进行电磁力施加装置性能实验。实验结果表明: 光纤拉伸力的范围达到26.073 mN; 光纤拉伸力的分辨率达到7.473 μN, 满足超细径光纤熔融拉伸对拉伸力范围及分辨率的要求。

A novel precise force measurement based on a Y-shaped cavity dual-frequency laser is proposed. The principle of force measurement with this method is analyzed, and the analytic relation expression between the input force and the change in the output beat frequency is derived. Experiments using a 632.8-nm Y-shaped cavity He-Ne dual-frequency laser are then performed; they demonstrate that the force measurement is proportional to a high degree over almost five decades of input signal range. The maximum scale factor is observed as 5.02 \times 10^9 Hz/N, with beat frequency instability equivalent resolution of 10^{-5} N. By optimizing the optical and geometrical parameters of the laser sensor, a force measurement resolution of 10^{-6} N could be expected.