CN112033524A - 一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学器件领域，为提高纳米谐振器振动模式的稳定性及测量精度，公开了一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置，所述纳米谐振器设置于所述真空腔内，所述真空腔置于以步进电机驱动的所述三轴位移台上，所述真空腔的射频端口通过柔性波导与外界激励连接，激励中的直流电压源使二维材料薄膜产生形变，正弦波信号发生器产生的周期性信号使纳米谐振器发生周期性振动，激光入射到器件上，反射的周期性信号被反射光路中的光电探测器所接收，通过Labview程序控制步进电机移动位移台对器件不同位置的振动状态进行表征实现对整个器件的振动模式可视化。本发明提高了纳米谐振器振动模式的稳定性及测量精度。

Description

一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置

技术领域

本发明涉及了光学和纳米机械的交叉领域，具体是一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置。

背景技术

纳米谐振器的尺寸极小，腔体直径一般在几微米到几十微米不等，其中的二维材料的厚度更是可以达到几纳米，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，探测其振动模式要求装置不仅静止状态下具有极高的灵敏度，可以分辨pm量级（10^-12m）的振动幅度，并且要求在垂直平面内能够以100nm左右分辨率的大范围的移动测量，这对于装置精度及稳定性要求很高。

目前探测纳米谐振器振动模式通常采用移动光束或者真空腔两种方案，第一种方案是将显微物镜至于高精度的位移台上，通过移动显微镜物镜达到对样品扫描的目的，此方案由于只需移动独立的显微物镜，对于装置的要求较低，但是其缺点也显而易见，显微物镜的调节会导致光轴与入射光束偏离，导致像差的产生，影响聚焦光斑的质量。第二种方案是通过移动整个真空腔来达到移动纳米谐振器的目的，由于真空腔本身自重较重，外加真空波纹管，外接同轴线的影响，总的负载可达几公斤，与位移台所配套的电动促动器负载相当，其最小位移增量在0.1~0.2μm，整套装置的价格较高。

发明内容

为了提高纳米谐振器振动模式的稳定性及测量精度，本发明实施例提供了一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置。

一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置，包括：探测光路、不锈钢真空腔、三轴位移台、位移台促动器、步进电机、步进电机驱动板、Arduino板、同步带、同步齿轮、射频柔性波导、同轴线、直流电压源、正弦波发生器和频谱分析仪、Labview程序；不锈钢真空腔上设置有窗口，探测光路中设置有光电探测器；所述位移台促动器安装于三轴位移台上，所述射频柔性波导被用于连接所述不锈钢真空腔的射频接头与直流电压源、正弦波发生器，所述频谱分析仪与探测光路中的光电探测器连接；探测光路出射的光束通过窗口垂直入射到待测样品表面，待测样品表面反射的光信号被光电探测器所接收，光电探测器后端连接频谱分析仪对光信号的频率进行分析测量；不锈钢真空腔位于三轴位移台上，位移台促动器通过同步齿轮、同步带与步进电机连接，所述步进电机的转动通过同步带、同步齿轮、位移台促动器转化为位移台的直线运动；步进电机通过步进电机驱动板和Arduino板与Labview程序进行通讯。

优选的，所述的探测光路主要包括具有固定偏振方向的激光器、中性密度滤光片、保偏单模光纤、半波片、光纤准直器、偏振分束立方、四分之一波片、显微物镜及若干反射镜，所述激光器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，再经过所述偏振立方后使水平分量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放置的所述四分之一波片，变为圆偏振光入射到所述显微物镜，聚焦后入射到待测器件上，所述显微物镜设置为无限远补正设计，反射光进入所述显微物镜后呈平行光出射，其仍然是圆偏振光，由于半波损失，其偏振方向与入射时相反，经四分之一波片后变为只有垂直分量s波的线偏振光，最后经过所述偏振分束立方反射到光电探测器中。

优选的，所述不锈钢真空腔位于所述三轴位移台上方，所述不锈钢真空腔包括前部法兰、高透过率窗口、真空密封圈、黄铜样品架、待测器件及PCB、真空腔体、后部法兰、真空卡箍、射频接头和侧方法兰，所述真空腔体侧面设置有所述侧方法兰，所述侧方法兰上通过所述真空卡箍固定连接有四个所述射频接头，所述真空腔体两端的内端口均固定连接有所述黄铜样品架，所述待测器件及PCB安装在所述黄铜样品架上，所述真空腔体的前后端部分别设置有所述前部法兰、所述后部法兰，所述真空腔体与所述前部法兰、所述后部法兰的接触端面上还设置有所述真空密封圈，所述高透过率窗口设置在所述前部法兰的中部。

优选的，四个所述射频接头采用所述射频柔性波导与直流电压源和正弦波发生器相连接，后方法兰设置有KF25接头连接真空泵，稳定后真空度达到10^-6mbar。

优选的，所述三轴位移台通过所述步进电机驱动、所述同步带和所述同步齿轮传动来完成。

优选的，本发明还提供了一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置的安装和使用步骤：

步骤1：光纤经过保偏单模光纤扩束后的直径为4.5mm，并且能量分布呈高斯状态，使用光束质量分析仪进行判断，聚焦后在1μm以下且能量分布呈高斯状态，使用刀口法或使用反射率相差较大的基底对光束直径进行估算；

步骤2：安装真空腔以及三轴位移台，基于步骤1的估算结果，手动调整三轴位移台的XY轴，使聚焦后的激光处于真空腔窗口的中心位置，再调节Z轴，使待测器件处于聚焦后的光斑焦点上；

步骤3：通过同步带、同步齿轮将步进电机与三轴位移台的促动器相连接，利用步进电机驱动板、Arduino板将步进电机与电脑上的串口相连接，基于步骤2中三轴位移台移动的位置调节，使用Labview程序设置扫描范围，然后将直流电压源、正弦波发生器通过微波偏执器连接在一起，利用射频柔性波导与真空腔侧面的射频接头相连接，将频谱分析仪与探测光路中的光电探测器相连接，频谱分析仪与电脑之间通过GPIB接口通信；

步骤4：基于步骤1-3的安装和调试结果，打开激光器，待功率稳定后，设置频谱分析仪的分辨率带宽，扫描点等参数，利用Labview程序完成扫描。

本发明的有益效果如下：采用上述方案对纳米谐振器进行振动的探测，利用步进电机搭配高精度手动促动器取代现有方案中的电动促动器，其优势在于，首先可以将最大负载提高至10kg，最大负载的增加意味着可以增加真空腔的尺寸，可以配备更多的射频接头，适用于更复杂的应用场景；其次，手动促动器最小步长是低于电动促动器的，通常步进电机的最小旋转角度为1.8度，利用驱动板的细分功能，最小的角度可达1.8/16度，极限分辨率可达几十纳米；最后，手动促动器的价格相较于电动促动器低很多，并且无需购置促动器控制器，总体成本约为电动促动器方案的1/4。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的纳米谐振器振动模式可视化装置示意图；

图2是本发明的纳米谐振器结构及测试原理示意图；

图3是本发明的不锈钢真空腔整体示意图；

图4是本发明的不锈钢真空腔内部结构示意图；

图5是本发明扫描频率与调制的反射光功率之间的关系的曲线图；

图6是本发明待测器件的显微镜图；

图7是本发明扫描得到的纳米谐振器第一阶振动模式的状态图；

图8是本发明扫描得到的纳米谐振器第二阶振动模式的状态图。

以上附图的附图标记：1-具有固定偏振方向的激光器、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-显微物镜、10-三轴位移台、11-不锈钢真空腔、12-射频柔性波导、13-位移台促动器、14-步进电机、15-同步皮带、16-直流电压源、17-正弦波发生器、18-频谱分析仪、19-光电探测器、20-前部法兰、21-高透过率窗口、22-真空密封圈、23-黄铜样品架、24-待测器件及PCB、25-真空腔体、26-后部法兰、27-真空卡箍、28-射频接头、29-侧方法兰。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

本发明提供的一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置，包括探测光路、不锈钢真空腔11、三轴位移台10、位移台促动器13、步进电机14、步进电机驱动板、Arduino板(一种开源可编程电路板)、同步带15、同步齿轮、射频柔性波导12、直流电压源16、正弦波发生器17、频谱分析仪18，探测光路由具有固定偏振方向的激光器1、中性密度滤光片2、保偏单模光纤4、光纤准直器3、偏振分束立方7、显微物镜9及若干反射镜6等组成，光路的搭建首先调节激光的水平度和倾斜度，配合光纤耦合器使耦合效率达到70%以上，并且扩束后的光束直径为4.5mm左右，能量分布呈高斯状，然后调节二分之一波片5的快轴的角度，使光束的偏振方向接近水平，这样在通过偏振分束立方时有最小的能量损失，调整四分之一波片8的快轴方向与水平方向呈45度夹角，使出射光束变为圆偏振光，利用显微物镜前方的两块反射镜调整光束的倾斜和俯仰角，保证光束经过显微物镜的光轴，入射光束可以聚焦后光束直径要求在1μm以下且能量分布呈高斯状，可使用刀口法或使用反射率相差较大的基底对光束直径进行估算。

进一步地，该装置的二维薄膜的振动是基于Fabry-Perot（法布里-珀罗）腔的激光干涉的原理进行探测的，参照图2，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

，利用传输矩阵可以得到整个器件的入射电场和透射电场的关系为：

其中

为个表面的菲涅尔反射和透射系数，

为各层的厚度，

，

为各层介质的折射率；整个器件的反射率

，当薄膜与基底的距离周期性变化时，反射光的强度也会被周期性的调制。

进一步地，参照图3和图4，所述不锈钢真空腔11包括：前部法兰20、高透过率窗口21、真空密封圈22、黄铜样品架23、待测器件及PCB24、真空腔体25、后部法兰26、真空卡箍27、射频接头28和侧方法兰29，所述真空腔体25侧面设置有所述侧方法兰29，所述侧方法兰29上通过所述真空卡箍27固定连接有四个所述射频接头28，所述真空腔体25两端的内端口均固定连接有所述黄铜样品架23，所述待测器件及PCB24安装在所述黄铜样品架23上，保证样品处于显微物镜的工作距离内，所述真空腔体25的前后端部分别设置有所述前部法兰20、所述后部法兰26，所述真空腔体25与所述前部法兰20、所述后部法兰26的接触端面上还设置有所述真空密封圈22，所述高透过率窗口21设置在所述前部法兰20的中部，光路搭建完成后将频谱分析仪与探测光路中的光电探测器19相连，接着需要将所述待测器件及PCB放置于真空腔中并将其组装形成真空环境，首先，将待测样品固定于真空腔的黄铜样品架23中心，并将样品架固定于前部法兰20上，利用真空密封圈22和六角螺栓将前部法兰20与真空腔体25相连接，接着将侧方法兰29与真空腔体25利用真空卡箍27相连接，在真空腔体25内部，侧方法兰29上的射频接头28与PCB通过同轴线连接，最后将后部法兰26与真空腔体25连接，后部法兰26上的KF25接头与真空泵连接，完成了真空腔的组装工作后，将其放置于三轴位移台10上，通过旋转三轴位移台10促动器手动调整位移台XY轴，使聚焦后的激光处于高透过率窗口21的中心位置，再调节Z轴，使待测器件处于聚焦后的光斑焦点上，将直流电压源、正弦波发生器通过微波偏执器连接在一起，然后利用射频柔性波导12与真空腔侧面的射频接头28相连接，为了实现高精度的自动化扫描，将步进电机14与三轴位移台促动器13利用同步带15、同步齿轮相连接；Arduino板(一种开源可编程电路板)分别与步进电机14、电脑上的串口相连接。

实施例二：

一种测量纳米谐振器振动的方法，上述测量纳米谐振器振动模式的使用步骤为：

步骤1：打开具有固定偏振方向的激光器1，等待功率稳定，设置直流电压源的输出电压，一般设置为0~10V之间。正弦波发生器17的输出频率由于器件的尺寸结构不同一般设置为几十兆赫兹到几百兆赫兹不等，输出的功率应小于0dBm；

步骤2：调整光束，利用偏振分束立方7和CCD相机观察光束与待测器件腔体的相对位置，调整三轴位移台10的X轴和Y轴促动器使光束处于腔体的中心。再调节Z轴，使光斑处于最小的聚焦状态，可以看到在腔体中时，激光的亮度明显增强；

步骤3：利用Labview程序设置频谱分析仪的扫描点数和分辨率带宽后即可开始测试，最终的结果为扫描频率与调制的反射光功率之间的关系的曲线，如图5所示，利用频谱分析仪得到在1MHz~200MHz范围内，纳米谐振器存在多种不同的振模式，取

和

两个不同的自然频率值，进行振动模式的扫描测量。

实施例三：

在实施例二技术方案基础上，使用步进电机14实现纳米谐振器振动模式可视化的测量,其具体步骤为：

步骤1：打开具有固定偏振方向的激光器1，等待功率稳定，设置直流电压源的电压源的输出电压，一般设置为0~10V之间，根据实施例二中的得到的自然频率的值设置正弦波发生器的输出频率，功率一般设置为小于0dBm；

步骤2：调整三轴位移台10的X轴和Y轴促动器使光束处于腔体的范围之外，距离真空腔体25的距离保持在5微米左右，再调节Z轴，使光斑处于最小的聚焦状态；

步骤3：利用Labview程序设置频谱分析仪的中心频率，该频率应与正弦波发生器的输出频率保持一致，在设置扫描点数和分辨率带宽后即可开始测试，最终的结果为三维数据结构，横轴与纵轴为步进电机移动的距离，也就是扫描的范围，Z轴为反射光功率，样品的显微镜图如图6所示，黑色部分为覆盖在腔体上的二维材料，中间白色部分为真空腔体25，测试结果如图7-8所示，对比下方的理论模拟图，可以判断64MHz为谐振器的一阶振动频率，而124MHz为其二阶振动频率。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置，包括：探测光路、不锈钢真空腔、三轴位移台、位移台促动器、步进电机、步进电机驱动板、Arduino板、同步带、同步齿轮、射频柔性波导、同轴线、直流电压源、正弦波发生器和频谱分析仪、Labview程序；不锈钢真空腔上设置有窗口，探测光路中设置有光电探测器；其特征在于，所述位移台促动器安装于三轴位移台上，所述射频柔性波导被用于连接所述不锈钢真空腔的射频接头与直流电压源、正弦波发生器，所述频谱分析仪与探测光路中的光电探测器连接；

所述探测光路出射的光束通过窗口垂直入射到待测样品表面，待测样品表面反射的光信号被光电探测器所接收，光电探测器后端连接频谱分析仪对光信号的频率进行分析测量；不锈钢真空腔位于三轴位移台上，位移台促动器通过同步齿轮、同步带与步进电机连接，所述步进电机的转动通过同步带、同步齿轮、位移台促动器转化为位移台的直线运动；步进电机通过步进电机驱动板和Arduino板与Labview程序进行通讯。

2.根据权利要求1所述的一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置，其特征在于，所述探测光路主要包括具有固定偏振方向的激光器、中性密度滤光片、保偏单模光纤、半波片、光纤准直器、偏振分束立方、四分之一波片、显微物镜及若干反射镜，所述激光器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，再经过所述偏振立方后使水平分量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放置的所述四分之一波片，变为圆偏振光入射到所述显微物镜，聚焦后入射到待测器件上，所述显微物镜设置为无限远补正设计，反射光进入所述显微物镜后呈平行光出射，其仍然是圆偏振光，由于半波损失，其偏振方向与入射时相反，经四分之一波片后变为只有垂直分量s波的线偏振光，最后经过所述偏振分束立方反射到光电探测器中。

3.根据权利要求1所述的一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置，其特征在于，所述不锈钢真空腔位于所述三轴位移台上方，所述不锈钢真空腔包括前部法兰、高透过率窗口、真空密封圈、黄铜样品架、待测器件及PCB、真空腔体、后部法兰、真空卡箍、射频接头和侧方法兰，所述真空腔体侧面设置有所述侧方法兰，所述侧方法兰上通过所述真空卡箍固定连接有四个所述射频接头，所述真空腔体两端的内端口均固定连接有所述黄铜样品架，所述待测器件及PCB安装在所述黄铜样品架上，所述真空腔体的前后端部分别设置有所述前部法兰、所述后部法兰，所述真空腔体与所述前部法兰、所述后部法兰的接触端面上还设置有所述真空密封圈，所述高透过率窗口设置在所述前部法兰的中部。

4.根据权利要求3所述的一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置，其特征在于，四个所述射频接头采用所述射频柔性波导与直流电压源和正弦波发生器相连接，后方法兰设置有KF25接头连接真空泵，稳定后真空度达到10^-6mbar。

5.根据权利要求1所述的一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置，其特征在于，所述三轴位移台通过所述步进电机驱动、所述同步带和所述同步齿轮传动来完成动作。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置，其特征在于，还包括以下装置的安装和使用步骤：

步骤1：光束经过保偏单模光纤扩束后的直径为4.5mm，并且能量分布呈高斯状态，使用光束质量分析仪进行判断；

步骤2：安装真空腔以及三轴位移台，手动调整三轴位移台的XY轴，使聚焦后的激光处于真空腔窗口的中心位置，再调节Z轴，使待测器件处于聚焦后的光斑焦点上；聚焦后光斑直径在1μm以下且能量分布呈高斯状态，使用反射率相差较大的基底与金电极对光束直径进行估算；

步骤3：通过同步带、同步齿轮将步进电机与三轴位移台的促动器相连接，利用步进电机驱动板、Arduino板将步进电机与Labview程序通过串口协议连接，基于步骤2中三轴位移台移动的位置调节，使用Labview程序设置扫描范围，然后将直流电压源、正弦波发生器通过微波偏执器连接在一起，利用射频柔性波导与真空腔侧面的射频接头相连接，将频谱分析仪与探测光路中的光电探测器相连接，频谱分析仪与Labview程序之间通过GPIB接口通信；

步骤4：基于步骤1-3的安装和调试结果，打开激光器，待功率稳定后，设置频谱分析仪的分辨率带宽，扫描点等参数，利用Labview程序完成扫描。

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