一种低温下光学与射频耦合测量纳米谐振器振动的装置与方法

摘要

本发明公开了一种低温下光学与射频耦合测量纳米谐振器振动的装置与方法，光学与射频耦合指的是采用射频信号源对纳米谐振器进行激励，再利用光学方式对其振动进行探测，纳米谐振器置于低温恒温器内的三轴压电位移台上，低温恒温器用于产生小于1K的极低温实验环境，其冷盘上固定有三轴压电位移台，通过基于低温光纤以及自由空间光学两种探测方式。本发明的有益效果：电学促动相比光学促动可施加更大的驱动功率用于研究纳米谐振器在不同工况下的动力学特性，避免了测量结果的影响，利用电学促动方法可以节约低温恒温器的内部空间且连接更为稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及光学和射频的交叉技术领域，具体为一种低温下光学与射频耦合测量纳米谐振器振动的装置与方法。

背景技术

纳米谐振器的结构主要包括了在表面热生长有二氧化硅层的硅基底上刻蚀的腔体，以及通过干法转移覆盖于腔体之上的二维材料。其中腔体的直径一般在几微米到几十微米不等，深度约为几百纳米。二维材料的尺寸需大于腔体的直径，厚度最少可达几纳米。当外界的激励频率与其自然频率相同时会发生共振的现象，在不同阶的自然频率处其振动不同。目前薄膜的促动技术主要包括了电学促动法与光学促动法，电学促动法基于的原理是周期性的改变薄膜与基底之间的电压达到改变薄膜受到的静电力作用，光学促动法则是利用基于激光的热效应。在低温环境下，由于设备内部空间限制且显微物镜及样品位移台都处于低温恒温器内，电学方法结构紧凑，且不需要进行额外的光路调节等优点使其更适合应用于低温环境中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温下光学与射频耦合测量纳米谐振器振动的装置与方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低温下光学与射频耦合测量纳米谐振器振动的装置，包括激光器与其一端连接的保偏单模光纤，所述激光器一侧设有通过所述保偏单模光纤连接的低温恒温器，所述保偏单模光纤与所述低温恒温器之间依次设有与所述保偏单模光纤连接的中性密度滤光片、光纤准直器、二分之一波片、反射镜、偏振分束立方、四分之一波片、CCD相机、LED光源、光电探测器与频谱分析仪，所述低温恒温器上端分别设有与之连接的压电位移台控制器、直流电压源与射频信号发生器，所述低温恒温器内设有冷盘，所述冷盘下端依次叠放设有柔性射频波导、三轴压电位移台与待测器件，所述待测器件与其下端设置的低温物镜连接，所述低温恒温器下端一侧设有窗口，所述低温物镜远离所述待测器件的另一端穿过所述窗口与所述保偏单模光纤连接，所述低温物镜与所述保偏单模光纤连接的下端一侧设有折转反射镜。

优选的，所述压电位移台控制器通过14针圆形接头真空KF63法兰与所述低温恒温器上端连接，所述直流电压源与所述射频信号发生器通过射频SMA接头真空ISO100法兰与所述低温恒温器上端连接。

优选的，所述射频SMA接头真空ISO100法兰与所述冷盘之间设有相连接的低温同轴线。

优选的，所述激光器将发出的激光经过所述中性密度滤光片能量衰减后经过所述光纤准直器与所述保偏单模光纤整形与扩束，扩束后的光束经过所述半波片以改变水平分量p波和垂直分量s波的能量占比，经过所述偏振分束立方后使水平分量p波通过，而垂直分量s波的能量反射出光路，出射的p波量经过快轴方向与水平方向呈45度放置的所述四分之一波片变为圆偏振光。

优选的，所述射频SMA接头真空ISO100法兰用于将所述直流电压源产生的直流电压信号与所述射频信号发生器产生的射频信号通过内部的低温射频同轴线传输到所述冷盘上的SMA接头上，所述待测器件通过所述柔性射频波导与SMA接头连接可得到振动所需的射频促动信号，所述14针圆形接头真空KF63法兰用于连接所述压电位移台控制器。

优选的，所述窗口为直径35mm，厚度1mm的熔石英窗口。

优选的，所述激光器为具有固定偏振方向的激光器，所述三轴压电位移台为兼容高真空及低温的三轴压电位移台。

一种低温下光学与射频耦合测量纳米谐振器振动的方法，包括以下步骤：

步骤一：卸去所述低温恒温器的外壳，将固定有待测样品的三轴位移台倒置固定于低温恒温器的冷盘下方，并将尾部装有低温单模保偏光纤的低温物镜悬置安装于样品上方，距离样品4mm位置，低温单模保偏光纤的另一端连接低温恒温器上方具有FC/APC光纤接头真空KF40法兰，将低温恒温器外壳安装到位，进行抽真空操作，并打开氦压缩机进行制冷；

步骤二：将探测光路末端的单模保偏光纤连接到低温恒温器的上方具有FC/APC光纤接头真空KF40法兰的上端，调节光纤准直器使激光器出射光束经过保偏单模光纤扩束后的直径为3mm，经过所有光学元件最后耦合到探测光路末端的光纤内；

步骤三：将直流电压源、射频信号发生器通过微波偏执器连接在一起后，将其连接在低温恒温器上方的射频SMA接头真空ISO100法兰上部，设置直流电压源的输出电压，及射频信号发生器输出功率、波形、频率等参数，再将频谱分析仪与探测光路中的光电探测器相连接，设置中心频率、分辨率带宽与扫描点参数；

步骤四：基于步骤一至三的安装和调试结果，打开激光器，待功率稳定后，调节位移台使被二维材料所覆盖的腔室处于光束中心，并调节焦距使光斑在样品处聚焦，最后利用Labview程序对仪器进行远程控制并读取数据。

有益效果

本发明所提供的低温下光学与射频耦合测量纳米谐振器振动的装置与方法，电学促动相比光学促动可以施加更大的驱动功率用于研究纳米谐振器在不同工况下的动力学特性而避免了激光热效应对于测量结果的影响，另外在低温环境下，采用光学方式促动需要在低温恒温器内部设置额外的低温光纤，且在探测光路中需要增加激光器等光学元件，增加了调节难度大，相比之下利用电学促动方法可以节约低温恒温器的内部空间且连接更为稳定。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的实施例2结构示意图；

图3为本发明的纳米谐振器结构及测试原理示意图。

附图标记

1-激光器、2-中性密度滤光片、3-光纤准直器、4-保偏单模光纤、5-二分之一波片、6-反射镜、7-偏振分束立方、8-四分之一波片、9-CCD相机、10-LED光源、11-光电探测器、12-频谱分析仪、13-压电位移台控制器、14-直流电压源、15-射频信号发生器、16-具有FC/APC光纤接头真空KF40法兰、17-14针圆形接头真空KF63法兰、18-射频SMA接头真空ISO100法兰、19-低温单模保偏光纤、20-低温同轴线、21-冷盘、22-柔性射频波导、23-三轴压电位移台、24-待测器件及PCB、25-低温物镜、26-折转反射镜、27-窗口、28-低温恒温器。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

一种低温下光学与射频耦合测量纳米谐振器振动的装置，包括激光器1与其一端连接的保偏单模光纤4，激光器1一侧设有通过保偏单模光纤4连接的低温恒温器28，保偏单模光纤4与低温恒温器28之间依次设有与保偏单模光纤4连接的中性密度滤光片2、光纤准直器3、二分之一波片5、反射镜6、偏振分束立方7、四分之一波片8、CCD相机9、LED光源10、光电探测器11与频谱分析仪12，低温恒温器28上端分别设有与之连接的压电位移台控制器13、直流电压源14与射频信号发生器15，低温恒温器28内设有冷盘21，冷盘21下端依次叠放设有柔性射频波导22、三轴压电位移台23与待测器件24，待测器件24与其下端设置的低温物镜25连接，低温恒温器28下端一侧设有窗口27，低温物镜25远离待测器件24的另一端穿过窗口27与保偏单模光纤4连接，低温物镜25与保偏单模光纤4连接的下端一侧设有折转反射镜26。

优选的，压电位移台控制器13通过14针圆形接头真空KF63法兰17与低温恒温器28上端连接，直流电压源14与射频信号发生器15通过射频SMA接头真空ISO100法兰18与低温恒温器28上端连接。

优选的，射频SMA接头真空ISO100法兰18与冷盘21之间设有相连接的低温同轴线20。

优选的，激光器1将发出的激光经过中性密度滤光片2能量衰减后经过光纤准直器3与保偏单模光纤4整形与扩束，扩束后的光束经过半波片5以改变水平分量p波和垂直分量s波的能量占比，经过偏振分束立方7后使水平分量p波通过，而垂直分量s波的能量反射出光路，出射的p波量经过快轴方向与水平方向呈45度放置的四分之一波片8变为圆偏振光。

优选的，射频SMA接头真空ISO100法兰18用于将直流电压源14产生的直流电压信号与射频信号发生器15产生的射频信号通过内部的低温射频同轴线20传输到冷盘21上的SMA接头上，待测器件24通过柔性射频波导22与SMA接头连接可得到振动所需的射频促动信号，14针圆形接头真空KF63法兰17用于连接压电位移台控制器13。

优选的，窗口27为直径35mm，厚度1mm的熔石英窗口。

优选的，激光器1为具有固定偏振方向的激光器，三轴压电位移台23为兼容高真空及低温的三轴压电位移台。

一种低温下光学与射频耦合测量纳米谐振器振动的方法，采用窗口导入激光光束方式，包括以下步骤：

步骤一：卸去低温恒温器的外壳，将固定有待测样品的三轴位移台倒置固定于低温恒温器的冷盘下方，并将尾部装有低温单模保偏光纤的低温物镜悬置安装于样品上方，距离样品4mm位置，低温单模保偏光纤的另一端连接低温恒温器上方具有FC/APC光纤接头真空KF40法兰，将低温恒温器外壳安装到位，进行抽真空操作，并打开氦压缩机进行制冷；

步骤二：将探测光路末端的单模保偏光纤连接到低温恒温器的上方具有FC/APC光纤接头真空KF40法兰的上端，调节光纤准直器使激光器出射光束经过保偏单模光纤扩束后的直径为3mm，经过所有光学元件最后耦合到探测光路末端的光纤内；

步骤三：将直流电压源、射频信号发生器通过微波偏执器连接在一起后，将其连接在低温恒温器上方的射频SMA接头真空ISO100法兰上部，设置直流电压源的输出电压，及射频信号发生器输出功率、波形、频率等参数，再将频谱分析仪与探测光路中的光电探测器相连接，设置中心频率、分辨率带宽与扫描点参数；

步骤四：基于步骤一至三的安装和调试结果，打开激光器，待功率稳定后，调节位移台使被二维材料所覆盖的腔室处于光束中心，并调节焦距使光斑在样品处聚焦，最后利用Labview程序对仪器进行远程控制并读取数据。

本发明提供的一种低温下光学与射频耦合测量纳米谐振器振动的装置。利用射频信号对纳米谐振器进行促动，基于的是纳米谐振器类似于晶体管的结构，在二维薄膜与基极之间施加一个直流电压，此时薄膜与栅极之间的静电力可以表示为：

其中C′

此时薄膜会受到一个周期性的驱动力而在垂直方向上振动。而振动的探测采用的是光学方法，其原理是基于Fabry-Perot(法布里-珀罗)腔的激光干涉的原理进行探测的，参照图3，纳米谐振器结构包括二维材料薄膜层、空气层、二氧化硅层和最下面的硅基底层，在每个分界面的上表面电场的复振幅为，下表面电场的复振幅为，对于每个分界面而言处总的反射系数表示为Γ

其中t

实施例2

一种低温下光学与射频耦合测量纳米谐振器振动的方法，采用光纤导入激光光束的方式，包括以下步骤：

步骤一：拆卸低温恒温器的外壳，将压电位移台堆叠放置，从下至上为Z轴，Y轴，X轴，并用钛合金M2.5内六角螺栓固定，并将中心粘有待测样品的PCB用M1.6一字螺栓固定于压电位移台的上表面，压电位移台组装完成后将其整体倒置固定于低温恒温器的冷盘上，并将压电位移台侧面控制用的双绞线连接在冷盘上的D-Sub接头上，接着将射频柔性波导一端连接在PCB上的SMA射频接头处，另一端冷连接冷盘上已预装的SMA接头，这些接头在设备安装时已与顶部的具有射频SMA接头真空ISO100法兰相连接；

步骤二：将尾部装有低温单模保偏光纤的低温物镜悬置安装于样品上方，距离待测样品表面4mm左右，低温单模保偏光纤的另一端固定于低温恒温器上方具有FC/APC光纤接头真空KF40法兰处，最后将低温恒温器外壳安装到位，进行抽真空操作，并打开氦压缩机进行制冷；

步骤三：将探测光路末端的单模保偏光纤连接到低温恒温器的上方具有FC/APC光纤接头真空KF40法兰的外部，打开激光器，待功率稳定后，调节光纤准直器使激光器出射光束经过保偏单模光纤扩束后的直径为3mm，经过所有光学元件后调节光路末端的光纤准直器使光束耦合到单模光纤内，利用光路中的光电探测器连接频谱分析仪最大化耦合效率；

步骤四：将直流电压源、射频信号发生器通过微波偏执器连接在一起后，将其连接在低温恒温器上方的射频SMA接头真空ISO100法兰上，设置直流电压源的输出电压，及射频信号发生器输出功率、波形、频率参数，再将频谱分析仪与探测光路中的光电探测器相连接，设置中心频率、分辨率带宽、扫描点等参数；

步骤五：基于步骤一至四的安装和调试结果，利用Labview程序对仪器进行远程控制并读取数据。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明性的保护范围之内的发明内容。