腔光力学是微米光学腔和宏观力学相结合的产物,是一门快速发展的物理交叉领域学科,目前已成为国际研究的前沿热点课题之一。其中光学腔模与机械振子之间的相互作用是由光子的辐射压力实现的。随着纳米技术的不断进步,机械振子的尺寸已经达到微米甚至纳米尺度。最近等离子体腔与分子振子间的耦合成为热点,这意味着机械振子可以达到更小的级别。纳米机械振子通常具有较小的质量,较高的共振频率,较低的耗散,因此,光力学系统在高精度位移测量,质量探测等方面有着重要作用。相比于其他的人造微米器件,在真空光镊技术中,光悬浮纳米颗粒与环境没有机械接触,因此悬浮光力系统不具有其他机械振荡器的主要退相干源,具有极高的机械Q值以及极窄的光谱半宽。这为我们探测由暗物质,暗能量引起的微弱力学效应提供了可能。在本文中基于光力学方法,利用光悬浮技术,泵浦探测技术,我们提出了多种探测新奇物理现象的方案。其精度预测大大高于以往的理论和实验工作。并且我们提出利用等离子体增强技术实现分子力、质量的超精密测量,以及超低频率带振动模式探测方法。全文分为九章。在第二章中,我们提出在双光束调制下通过悬浮纳米振子与光腔的耦合实现纳米尺度引力梯度的测量方案。在非均匀力作用下探测谱上的增强尖峰将出现明显的移动。极高的振子Q值,显著地降低了非线性光谱尖峰的线宽(10-8Hz),直接导致了引力梯度测量中的超分辨率(10-20N/m)。测量精度的提高将为探测Yukawa模力和额外维时空中的Kaluza-Klein引力子等提供可靠的实验方案。在第三章中我们提出一个可行的方案利用光腔与悬浮纳米球间的光力耦合在凝聚态物质中探测千分之一电荷的存在。近年来在宏观凝聚态物质中寻找千分之一电荷的实现刚刚起步且尚未发现。结果表明如果千分之一电荷存在,探测光谱上将出现一个微小的频移。我们也设计了一个环状带电体用于梯度电场的生成,它可以有效地消除静电作用的干扰从而保证测量的高精度。由于探测光谱克尔峰具有极窄的半宽,微小频移可由该光学方法有效地探测。这一设计可以为探测暗物质以及带电中微子提供实验方法。我们在第四章中基于量子腔光机械方法提出利用探测光谱探测变色龙粒子的存在的两个方案。变色龙标量场模型是一种物质耦合的暗能量候选者。它具有屏蔽机制。相比于以往的测量方法,我们使用了静电屏蔽以及泵浦探测技术对微弱的频谱劈裂或者频谱位移进行测量,从而使实验精度得到提高。考虑到量子噪声极限,这一设计可以在超低气压条件下将实验精度提高2-3个数量级,相比于原子干涉仪。我们希望这一方法可以成为研究变色龙场以及暗能量相关理论的有力工具。目前,很多实验致力于探测大尺度额外维时空,范围包括从微米到太阳系。然而尚未发现直接的实验证据。在第五章中我们基于光力学原理提出在微米尺度探测4+2维时空存在的实验方案。我们证明当存在大尺度额外维时空时,在两个悬浮振子间的引力相互作用将导致光力学系统中的模式劈裂。利用泵浦探测技术可以读出这一极弱的频谱劈裂。文中利用量子耦合原理我们提出方案有效地降低了卡西米尔力耦合,并研究了静电力背景噪声。结果表明我们可以实现在低噪声下利用悬浮光力学方法探测大尺度额外维时空,而且该方案不需要iso技术。在第六章中我们利用腔光力学研究了双光驱动下以及表面等离子体中相互作用分子的耦合动力学行为。不同于传统的力-位移测量方法,基于探测光谱的共振频率移动或共振峰劈裂,我们提出了通过非线性光谱测量分子间范德瓦尔斯力强度以及相互作用能量的新方法。力的测量精度预计可以达到10-15N,这个精度比现今广泛运用的原子力显微镜提高了3-4个数量级。我们也发现两个具有相似化学构象以及相等共振频率的毗邻分子可以由透射光谱的尖峰劈裂来进行鉴别。基于这一耦合光力学系统,我们还设计了一个可调谐的范德瓦尔斯光开关方案。这些研究结果将为理解在分子-等离子体系统中的复杂动力学相互作用提供新的理论方法。在第七章中基于等离子体与悬置石墨烯的光力学耦合,我们提出了超低频率带拉曼模式探测方法以及单原子室温质谱仪,其测量精度可达到单原子级别。单原子落在石墨烯带表面时,其质量可以由探测光吸收谱上的频率移动决定。首先我们基于量子耦合提出利用泵浦探测技术将超低频段振动模式信号从强瑞利背景中提取出来。之后的研究结果显示,得益于等离子体增强和纳米石墨烯带的极低质量,该方案可以实现超窄带宽和超高灵敏度。同样得益于低噪声,该全光控质量传感器可以在室温下实现并达到极高的时间分辨率。在第八章中我们引入了短时间测量方案,目的在于消除由光力冷却诱导的机械衰退。悬浮在真空中的纳米颗粒具有极低的机械耗散,使其与热环境间强烈地解耦合。因此基态测量可以在光力冷却后的一个短取样之间条件下完成。该方案使得千分之一道尔顿的质量测量精度成为可能。这一质量分辨率容许我们对单原子,单分子的静止质量进行超精密测量。第九章是本文的主要结论和展望