CN115452215A - 一种纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法，包括：步骤100：制备一纳米腔光机械谐振器，所述纳米腔光机械谐振器包括振子薄膜；步骤200：测量获得所述振子薄膜在不同温度下所对应的谐振频率；步骤300：将所述振子薄膜的谐振频率转化为热应力，并绘制所述振子薄膜的热应力与温度之间的关系曲线。该热应力测量方法用于测量纳米腔光机械谐振器中振子薄膜的热应力，具有测量精度高、可远距离测量、抗电磁干扰、体积小、重量轻、响应速度快、抗恶劣环境等优势。

Description

一种纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法。

背景技术

随着现代化技术发展，纳米机械谐振器近年来受到越来越多的关注。纳米机电系统(NEMS)因其体积小、重量轻、灵敏度高等优点，在物理、精密测量和生物参数传感等领域发挥着重要作用。在众多的纳米机械谐振器中，近年来最受到广泛关注的是基于二维材料的纳米机械谐振器，尤其是基于石墨烯的纳米机械谐振器。石墨烯除了具有优良的导电性和超高强度外，还表现出良好的导热性。正是由于这些原因，石墨烯成为制造纳米机械谐振器的理想候选材料。

如专利号为CN201710235221.0的中国专利中公开了一种石墨烯膜光纤法珀谐振器及其激振/拾振检测方法。该谐振器探头部分主要由石墨烯膜、插芯匹配套管、光纤插芯、光纤插芯和单模光纤构成。该方法采用基于激励DFB激光器、检测DFB激光器、电光调制器、掺铒光纤放大器、耦合器、环形器、光电探测器、锁相放大器和带通滤波器等搭建而成的光纤式干涉激振/拾振装置。所述锁相放大器输出扫频信号到电光调制器，并加载至激励DFB激光器以调制激励激光的光强呈周期性变化，调制后的激励激光经掺铒光纤放大器放大，与检测激光在耦合器中耦合，经过环形器照射至石墨烯膜光纤FP谐振器的石墨烯膜，使之产生受迫简谐振动，从而周期性改变FP腔的腔长。由于激励DFB激光器和检测DFB激光器的波长不同，利用带通滤波器可滤去激励激光，滤波后光电信号馈入光电探测器，利用锁相放大器进行信号采集，可提取石墨烯膜的振动频率，实现对石墨烯膜光纤FP谐振器的激振/拾振，进而可基于谐振频率变化获取被测量信息。

然而，石墨烯作为一种二维薄膜材料，不可避免的会受到应力的影响，膜应力对系统的影响较大，在很大程度上会影响光学和电子等元器件的性能，它不仅会直接导致膜的破裂和剥离，而且会损伤膜，从而破坏纳米机械谐振器。因此，有必要对石墨烯膜在系统中的应力进行研究。

目前，常见的测量应力的方法主要有基底曲率法、X射线衍射法、拉曼光谱法、纳米压痕法等。由于测量机理不同，适用于不同类型的基底-薄膜体系的检测，也分别存在一些难以克服的缺陷，比如：X 射线衍射法在检测和后续数据处理过程中比较繁琐、拉曼光谱法在应变模型构建上比较困难、纳米压痕法会对待测样品造成局部破损等。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种热应力测量方法，用于测量纳米腔光机械谐振器中振子薄膜的热应力，具有测量精度高、可远距离测量、抗电磁干扰、体积小、重量轻、响应速度快、抗恶劣环境等优势。

本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

一种纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法，包括如下步骤：

步骤100：制备一纳米腔光机械谐振器，所述纳米腔光机械谐振器包括振子薄膜；

步骤200：测量获得所述振子薄膜在不同温度下所对应的谐振频率；

步骤300：将所述振子薄膜的谐振频率转化为热应力，并绘制所述振子薄膜的热应力与温度之间的关系曲线。

进一步地，在步骤100中，制备所述纳米腔光机械谐振器的步骤如下：

步骤110：取一段单模光纤和一段空芯光纤，将所述单模光纤的第二端面以及所述空芯光纤的第一端面切平；

步骤120：将所述单模光纤切平后的第二端面与所述空芯光纤切平后的第一端面熔接在一起；

步骤130：将所述单模光纤上的空芯光纤裁切至预定长度，以使所述空芯光纤在所述单模光纤的第二端面上形成预定腔长的一光纤空腔；

步骤140：在所述空芯光纤的第二端面上形成一振子薄膜，所述振子薄膜悬空于所述光纤空腔上。

进一步地，在步骤140中，所述振子薄膜为石墨烯膜，在所述空芯光纤的第二端面上形成所述振子薄膜的步骤如下：

步骤141：通过化学气相沉积法在铜箔上生长形成石墨烯膜；

步骤142：采用三氯化铁溶液将所述铜箔溶解腐蚀，使所述石墨烯膜转移至所述三氯化铁溶液中；

步骤143：采用去离子水对转移有所述石墨烯膜的三氯化铁溶液进行稀释过滤，使所述石墨烯膜转移漂浮于所述去离子水上；

步骤144：将所述空芯光纤的第二端面缓慢地靠近漂浮于所述去离子水上的石墨烯膜，待所述空芯光纤的第二端面接触到所述石墨烯膜后再缓慢地将其拉离，使所述石墨烯膜转移至所述空芯光纤的第二端面上；

步骤145：对所述空芯光纤上的石墨烯膜进行干燥处理，使所述石墨烯膜悬空于所述光纤空腔上。

进一步地，在步骤140之后，还包括如下步骤：

步骤150：在所述振子薄膜上溅镀一反射薄膜。

进一步地，在步骤140或步骤150之后，还包括如下步骤：

步骤160：对所述振子薄膜或振子薄膜和反射薄膜进行刻蚀，使之形成多个镂空区域，将所述光纤空腔从所述镂空区域中露出。

进一步地，在步骤140、步骤150或步骤160之后，还包括如下步骤：

步骤170：将所述单模光纤上的空芯光纤插入到一硅毛细管内；

步骤180：将所述硅毛细管朝向所述单模光纤的一端熔接在所述单模光纤上；

步骤190：将所述硅毛细管内抽真空后，将所述硅毛细管的另一端密封设置。

进一步地，在步骤200中，测量获得所述振子薄膜在不同温度下所对应的谐振频率的步骤如下：

步骤210：将具有第一波长的激励光信号以及具有第二波长的检测光信号共同耦合进所述纳米腔光机械谐振器内，使所述激励光信号驱动所述振子薄膜产生谐振；

步骤220：获取被所述纳米腔光机械谐振器反射回来的检测光信号；

步骤230：对被反射回来的检测光信号进行分析，得到所述振子薄膜的谐振频率；

步骤240：将所述纳米腔光机械谐振器加热至不同温度并重复步骤210至步骤230，以获取所述振子薄膜在不同温度下所对应的谐振频率。

进一步地，在步骤210之前，还包括步骤：将宽带光信号通入到所述纳米腔光机械谐振器内，获取被所述纳米腔光机械谐振器反射回来的宽带光信号，对被反射回来的宽带光信号进行分析，得到所述振子薄膜的静态反射光谱，根据所述振子薄膜的静态反射光谱，确定所述检测光信号的第二波长。

进一步地，将所述静态反射光谱的波峰处下降3dB能量的位置所对应的波长确定为所述检测光信号的第二波长。

进一步地，在步骤300中，将所述振子薄膜的谐振频率转化为热应力，并绘制所述振子薄膜的热应力与温度之间的关系曲线的步骤如下：

步骤310：在初始温度下获得所述振子薄膜的初始谐振频率；

步骤320：将所述振子薄膜的初始谐振频率及其振子参数进行仿真模拟，得到所述振子薄膜的初始热应力；

步骤330：根据所述振子薄膜的初始热应力及其在不同温度下所对应的谐振频率，计算出所述振子薄膜在不同温度下所对应的热应力，所述振子薄膜的热应力满足如下公式：

其中，f为所述振子薄膜的谐振频率，f0为所述振子薄膜的初始谐振频率，σ为所述振子薄膜的热应力，σ0为所述振子薄膜的初始热应力；

步骤340：根据所述振子薄膜在不同温度下的热应力，绘制出所述振子薄膜的热应力与温度之间的关系曲线。

本发明具有如下有益效果：该热应力测量方法以谐振频率作为中间量，通过测量、仿真、拟合等方式绘制得到所述纳米腔光机械谐振器中振子薄膜的热应力与温度之间的关系曲线，用于测量所述纳米腔光机械谐振器中振子薄膜的热应力，具有测量精度高、可远距离测量、抗电磁干扰、体积小、重量轻、响应速度快、抗恶劣环境等优势。

附图说明

图1为本发明提供的热应力测量方法的步骤框图；

图2为本发明提供的热应力测量方法一实施例中步骤100的步骤框图；

图3为本发明提供的热应力测量方法另一实施例中步骤100的步骤框图；

图4为本发明提供的热应力测量方法又一实施例中步骤100的步骤框图；

图5为本发明提供的热应力测量方法又一实施例中步骤100的步骤框图；

图6为本发明提供的热应力测量方法又一实施例中步骤100的步骤框图；

图7为本发明提供的热应力测量方法又一实施例中步骤100的步骤框图；

图8为本发明提供的热应力测量方法又一实施例中步骤100的步骤框图；

图9为本发明提供的热应力测量方法又一实施例中步骤100的步骤框图；

图10为本发明提供的热应力测量方法中步骤140的步骤框图；

图11为本发明提供的热应力测量方法中步骤200的步骤框图；

图12为本发明提供的热应力测量方法中步骤300的步骤框图；

图13为本发明提供的纳米腔光机械谐振器的结构示意图；

图14为本发明提供的纳米腔光机械谐振器中振子薄膜的结构示意图；

图15为本发明提供的另一纳米腔光机械谐振器的结构示意图；

图16为本发明提供的纳米腔光机械谐振器的封装示意图；

图17为本发明提供的纳米腔光机械谐振器的测量示意图；

图18为本发明提供测量获得的一谐振频率的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

一种纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤100：制备如图13所示的一纳米腔光机械谐振器1，所述纳米腔光机械谐振器1包括振子薄膜13。

在该步骤100中，所述纳米腔光机械谐振器1包括单模光纤11、空芯光纤12和振子薄膜13，所述单模光纤11具有第一端面和第二端面，所述空芯光纤12具有第一端面和第二端面，所述单模光纤11 的第二端面与所述空芯光纤12的第一端面相熔接，所述空芯光纤12在所述单模光纤11的第二端面上形成预定腔长的一光纤空腔121；所述振子薄膜13形成于所述空芯光纤12的第二端面上，且悬空于所述光纤空腔121上。

所述振子薄膜13与所述光纤空腔121配合形成一FP谐振腔(法布里珀罗谐振腔)，耦合进所述纳米腔光机械谐振器1内的检测光信号在所述单模光纤11与所述光纤空腔121的交界面以及所述光纤空腔121与所述振子薄膜13的交界面上会被反射回去。

所述单模光纤11包括纤芯111和包层112，所述包层112包裹在所述纤芯111的外周面上，所述纤芯111与所述包层112的折射率不同，以使光信号可在所述纤芯111与所述包层112的交界面上发生全反射，进而在所述纤芯111内沿轴向传输。

所述空芯光纤12的外径与所述包层112的外径相当，其内径大于所述包层112的外径，当所述单模光纤11的第二端面与所述空芯光纤12的第一端面相熔接时，所述单模光纤11的包层112与所述空芯光纤12相熔接，所述单模光纤11的纤芯111与所述空芯光纤12 内的光纤空腔121相对准。

具体的，如图2所示，在步骤100中，制备所述纳米腔光机械谐振器1的步骤如下：

步骤110：取一段单模光纤11和一段空芯光纤12，将所述单模光纤11的第二端面以及所述空芯光纤12的第一端面切平。

在该步骤110中，所述单模光纤11和空芯光纤12的长度无特别限定，采用光纤切割刀将所述单模光纤11的第二端面以及所述空芯光纤12的第一端面切平，使两者的端面可以无缝对接即可。

步骤120：将所述单模光纤11切平后的第二端面与所述空芯光纤12切平后的第一端面熔接在一起。

在该步骤120中，将所述单模光纤11切平后的第二端面以及所述空芯光纤12切平后的第一端面分别放置于光纤熔接机的两端上，然后操作所述光纤熔接机将所述单模光纤11的第二端面与所述空芯光纤12的第一端面对准后放电熔接。

步骤130：将所述单模光纤11上的空芯光纤12裁切至预定长度，以使所述空芯光纤12在所述单模光纤11的第二端面上形成预定腔长的一光纤空腔121。

在该步骤130中，先将熔接好的单模光纤11和空芯光纤12放置于一二维移动平台上，并在CCD的监控下控制所述二维移动平台带动所述单模光纤11和空芯光纤12沿X方向和Y方向移动，以调节所述空芯光纤12与光纤切割刀之间的相对位置，进而将所述空芯光纤12上的预定裁切点移动至所述光纤切割刀下进行裁切，X方向垂直于Y方向。

经裁切后，留在所述单模光纤11上的空芯光纤12的长度为30 μm左右。

步骤140：在所述空芯光纤12的第二端面上形成一振子薄膜13，所述振子薄膜13悬空于所述光纤空腔121上。

在该步骤140中，所述振子薄膜13包括固定区域131和谐振区域132，所述固定区域131位于所述谐振区域132的外围上，所述固定区域131附着固定于所述空芯光纤12的第二端面上，所述谐振区域132悬空于所述空芯光纤12的光纤空腔121上。

具体的，如图10所示，在步骤140中，所述振子薄膜13为石墨烯膜，在所述空芯光纤12的第二端面上形成所述振子薄膜13的步骤如下：

步骤141：通过化学气相沉积法在铜箔上生长形成一石墨烯膜。

在该步骤104中，所述石墨烯膜可以为单层结构、少层结构或多层结构。

步骤142：采用三氯化铁溶液将所述铜箔溶解腐蚀，使所述石墨烯膜转移至所述三氯化铁溶液中。

在该步骤142中，所述三氯化铁溶液的浓度为0.08g/ml左右，仅需根据所述空芯光纤12的端面尺寸剪取一小块铜箔置于所述三氯化铁溶液中溶解腐蚀即可，所剪取的铜箔上的石墨烯膜应能够覆盖所述空芯光纤12的第二端面。

步骤143：采用去离子水对转移有所述石墨烯膜的三氯化铁溶液进行稀释过滤，使所述石墨烯膜转移漂浮于所述去离子水上。

在该步骤143中，采用去离子水对所述三氯化铁溶液进行稀释过滤的主要目的为对所述石墨烯膜进行清洗，避免所述石墨烯膜上残留有铜箔和三氯化铁，以及降低溶液酸碱度。

步骤144：将所述空芯光纤12的第二端面缓慢地靠近漂浮于所述去离子水上的石墨烯膜，待所述空芯光纤12的第二端面接触到所述石墨烯膜后再缓慢地将其拉离，使所述石墨烯膜转移至所述空芯光纤12的第二端面上。

在该步骤144中，所述空芯光纤12的第二端面应当以平行于所述石墨烯膜的方式缓慢地靠近漂浮于所述去离子水上的石墨烯膜，以使所述空芯光纤12的整个第二端面均匀地与所述石墨烯膜相接触，进而使所述石墨烯膜均匀地转移附着在所述空芯光纤12的第二端面上。

步骤145：对所述空芯光纤12上的石墨烯膜进行干燥处理，使所述石墨烯膜悬空于所述光纤空腔121上。

在该步骤145中，将所述石墨烯膜在室温下自然干燥即可，所述石墨烯膜在干燥过程中，由于自身范德华力的作用，其与所述空芯光纤12的第二端面相对应的区域会附着固定在所述空芯光纤12的第二端面上，形成所述固定区域131，其与所述光纤空腔121相对应的区域会悬空于所述光纤空腔121上，形成所述谐振区域132。

步骤200：测量获得所述振子薄膜13在不同温度下所对应的谐振频率。

在该步骤200中，如图17所示，采用一加热装置10对所述纳米腔光机械谐振器1进行加热，同时采用一光学测量系统对所述振子薄膜13的谐振频率进行测量，以得到所述振子薄膜13在不同温度下所对应的如图18所示的谐振频率。

所述光学测量系统包括激励激光器2、电光调制器3、检测激光器4、光纤耦合器5、光纤环形器6、带通滤波器7、光电探测器8和矢量网络分析仪9，所述光纤耦合器5具有第一入射端、第二入射端和出射端，所述光纤环形器6具有入射端、反射端和透射端，所述激励激光器2通过所述电光调制器3连接至所述光纤耦合器5的第一入射端，所述检测激光器4连接至所述光纤耦合器5的第二入射端，所述光纤耦合器5的出射端连接至所述光纤环形器6的入射端，所述光电探测器8通过所述带通滤波器7连接至所述光纤环形器6的反射端；所述矢量网络分析仪9连接控制所述电光调制器3和光电探测器 8。

在测量时，将所述纳米腔光机械谐振器1中的单模光纤11的第一端面连接至所述光纤环形器6的透射端，至少将所述纳米腔光机械谐振器1中的振子薄膜13和空芯光纤12放置于所述加热装置10的加热腔内进行加热。

具体的，如图11所示，在步骤200中，测量获得所述振子薄膜 13在不同温度下所对应的谐振频率的步骤如下：

步骤210：将具有第一波长λ1的激励光信号以及具有第二波长λ2的检测光信号共同耦合进所述纳米腔光机械谐振器1内，使所述激励光信号驱动所述振子薄膜13产生谐振。

在该步骤210中，所述激励激光器2向所述电光调制器3发射具有第一波长λ1的激励光信号，所述检测激光器4向所述光纤耦合器 5发射具有第二波长λ2的激励光信号，然后所述电光调制器3在所述矢量网络分析仪9的正弦扫频信号下对所述激励光信号的光强进行调制，使所述激励光信号的光强呈周期性变化进入到所述光纤耦合器5内，并与所述检测光信号耦合后进入到所述纳米腔光机械谐振器 1内。

本实施例中，所述光纤耦合器5为90:10耦合器5，即耦合时，所述激励光信号占总体光信号的90％，所述检测光信号占总体光信号的10％。

优选地，所述检测激光器4与所述光纤耦合器5的第二入射端之间还连接有光学隔离器，所述光学隔离器仅允许所述检测光信号从所述检测激光器4传输至所述光纤耦合器5，而不允许所述检测光信号从所述光纤耦合器5传输至所述检测激光器4，以避免所述检测光信号在传输过程中被反射折返至所述检测激光器4处而导致所述检测激光器4损坏。

耦合进所述纳米腔光机械谐振器1内的激励光信号作用在所述振子薄膜13上时，所述振子薄膜13由于受到光强周期性变化的激励光信号照射，从而产生周期性变化的热膨胀或收缩，受迫形成简谐振动，从而周期性改变所述FP谐振腔的腔长。

步骤220：获取被所述纳米腔光机械谐振器1反射回来的检测光信号。

在该步骤220中，被所述纳米腔光机械谐振器1反射回来的检测光信号重新进入到所述光纤环形器6内，然后从所述光纤环形器6的反射端通过所述带通滤波器7被所述光电探测器8捕获。

所述带通滤波器7用于将被反射回来的检测光信号中掺杂的激励光信号滤除。

步骤230：对被反射回来的检测光信号进行分析，得到所述振子薄膜13的谐振频率。

在该步骤230中，由于所述振子薄膜13在所述激励光信号的作用下产生谐振，所述振子薄膜13的谐振调制了所述检测光信号的反射强度，使得被反射回来的检测光信号具有与所述振子薄膜13的谐振相对应的谐振频率。所述光电探测器8将被反射回来的检测光信号转换为对应的电信号后提供给所述网络矢量分析仪9，所述网络矢量分析仪9通过分析被反射回来的检测光信号的频域信息，计算输出与之对应的谐振频率。

步骤240：将所述纳米腔光机械谐振器1加热至不同温度并重复步骤210至步骤230，以获取所述振子薄膜13在不同温度下所对应的谐振频率。

在该步骤240中，采用所述加热装置10至少对所述纳米腔光机械谐振器1中的振子薄膜13和空芯光纤12进行加热，当所述纳米腔光机械谐振器1被加热时，由于所述振子薄膜13和空芯光纤12之间的热膨胀系数不同，所述振子薄膜13和空芯光纤12之间产生不同程度的热膨胀/收缩，导致所述振子薄膜13和空芯光纤12之间的内应力发生改变，而内应力的改变导致所述振子薄膜13的谐振也发生改变，进而改变了所述检测光信号的调制程度，最终体现在所述矢量网络分析仪9上为谐振频率的漂移。

具体的，采用所述加热装置10将所述纳米腔光机械谐振器1加热至第一温度，同时采用所述光学测量系统测量得到所述振子薄膜 13与所述第一温度相对应的第一谐振频率；然后采用所述加热装置 10将所述纳米腔光机械谐振器1加热至第二温度，同时采用所述光学测量系统测量得到所述振子薄膜13与所述第二温度相对应的第二谐振频率……如此循环往复，直至所得到的谐振频率与温度的数据量达到所需的量。

同时，为了选择出所述检测光信号最灵敏的波长，在步骤210之前，还包括步骤：将宽带光信号通入到所述纳米腔光机械谐振器1内，获取被所述纳米腔光机械谐振器1反射回来的宽带光信号，对被反射回来的宽带光信号进行分析，得到所述振子薄膜13的静态反射光谱，根据所述振子薄膜13的静态反射光谱，确定所述检测光信号的第二波长λ2。

在该步骤中，利用所述宽带光信号获取所述振子薄膜13在静止状态(未加热)下的静态反射光谱，所述振子薄膜13的静态反射光谱中具有一波峰，所述检测光信号最灵敏的波长即为该波峰处下降 3dB能量的位置所对应的波长，即最强能量下降一半时的波长，将该波长确定为所述检测光信号的第二波长λ2。

所述光学测量系统还包括宽带光源102和光谱仪103，所述宽带光源102与所述光纤耦合器5通过第一切换器104连接至所述光纤环形器6的入射端上，所述光谱仪103与所述带通滤波器7通过第二切换器105连接至所述光纤环形器6的透射端；所述第一切换器104用于切换选择所述宽带光源102和光纤耦合器5之一与所述光纤环形器 6的入射端连接，所述第二切换器105用于切换选择所述光谱仪103 和带通滤波器7之一与所述光纤环形器6的透射端连接。

步骤300：将所述振子薄膜13的谐振频率转化为热应力，并绘制所述振子薄膜13的热应力与温度之间的关系曲线。

在该步骤300中，以谐振频率作为中间量，将所述振子薄膜13 的谐振频率与温度之间的对应关系转化为所述振子薄膜13的热应力与温度之间的对应关系，进而绘制出所述振子薄膜13的热应力与温度之间的关系曲线。

具体的，如图12所示，在步骤300中，将所述振子薄膜13的谐振频率转化为热应力，并绘制所述振子薄膜13的热应力与温度之间的关系曲线的步骤如下：

步骤310：在初始温度下获得所述振子薄膜13的初始谐振频率。

在该步骤300中，所述初始温度一般指室温，即在所述加热装置 10不对所述纳米腔光机械谐振器1加热时，采用所述光学测量系统对所述振子薄膜13的谐振频率进行测量，得到的即为所述初始谐振频率；当然也可将任意温度作为初始温度，这并不影响关系曲线的绘制。

步骤320：将所述振子薄膜13的初始谐振频率及其振子参数进行仿真模拟，得到所述振子薄膜13的初始热应力。

在该步骤320中，所述振子参数包括所述振子薄膜13的振子材料、振子形状、振子厚度、振子尺寸等，通过将所述振子薄膜13的初始谐振频率及其振子参数输入到COMSOL软件中进行仿真模拟，得到与所述初始谐振频率相对应的初始热应力。

步骤330：根据所述振子薄膜13的初始热应力及其在不同温度下所对应的谐振频率，计算出所述振子薄膜13在不同温度下所对应的热应力，所述振子薄膜13的热应力满足如下公式：

其中，f为所述振子薄膜13的谐振频率，f0为所述振子薄膜 13的初始谐振频率，σ为所述振子薄膜13的热应力，σ0为所述振子薄膜13的初始热应力。

步骤340：根据所述振子薄膜13在不同温度下的热应力，绘制出所述振子薄膜13的热应力与温度之间的关系曲线。

在该步骤340中，根据所述振子薄膜13的热应力与温度之间一一对应的关系，即可通过曲线拟合等方式绘制出所述振子薄膜13的热应力与温度之间的关系曲线。

该热应力测量方法以谐振频率作为中间量，通过测量、仿真、拟合等方式绘制得到所述纳米腔光机械谐振器1中振子薄膜13的热应力与温度之间的关系曲线，用于测量所述纳米腔光机械谐振器1中振子薄膜13的热应力，具有测量精度高、可远距离测量、抗电磁干扰、体积小、重量轻、响应速度快、抗恶劣环境等优势。

实施例二

若采用所述振子薄膜13将所述光纤空腔121完全密封的话，所述振子薄膜13的内外两侧面之间会形成气压差，该气压差会在所述振子薄膜13振动时对所述振子薄膜13产生阻力，进而影响到测量精度。

作为实施例一的优化方案，在本实施例中，如图14所示，所述振子薄膜13还包括多个悬挂区域133，各个悬挂区域133连接于所述谐振区域132和固定区域131之间；相邻的悬挂区域133之间为镂空区域134，所述光纤空腔121从所述镂空区域134中露出。

本实施例中，所述悬挂区域133的数量有四个，相邻的悬挂区域 133之间偏置90°；各个悬挂区域133的宽度从所述固定区域131向所述谐振区域132方向逐渐增大。

如图3所示，该热应力测量方法在步骤140之后，还包括如下步骤：

步骤160：对所述振子薄膜13进行刻蚀，使之形成多个镂空区域134，将所述光纤空腔121从所述镂空区域134中露出。

在该步骤160中，采用飞秒激光系统对所述振子薄膜13进行刻蚀。将所述单模光纤11和空芯光纤12用夹具夹紧后放置于一三维移动平台上，调整所述夹具的方向，使所述振子薄膜13朝向飞秒激光的光斑焦点，然后调整飞秒激光器的输出功率使其输出一束能量合适的飞秒激光，并将其光斑聚焦在所述振子薄膜13上，接着将所述振子薄膜13的刻蚀轨迹数据输入到控制程序中，由所述控制程序根据所述振子薄膜13的刻蚀轨迹数据控制所述三维移动平台带动所述振子薄膜13沿X方向、Y方向和Z方向进行移动，以完成刻蚀，X方向、Y方向和Z方向间两两相垂直。

该热应力测量方法通过对所述振子薄膜13进行刻蚀，使之形成多个镂空区域134，将所述光纤空腔121从所述镂空区域134中露出与外界连通，消除所述振子薄膜13内外两侧面之间的气压差，提高测量精度；同时，所述镂空区域134减小了所述振子薄膜13的谐振区域132和固定区域131之间的连接应力，降低了所述固定区域131 在所述振子薄膜13振动时对所述谐振区域132的阻力，提高测量精度。

实施例三

由于所述振子薄膜13反射率较低，很大一部分检测光信号会透过所述振子薄膜13而溢出至所述光纤空腔121外，影响到测量效果。

作为实施例一的优化方案，在本实施例中，所如图13所示，所述纳米腔光机械谐振器1还包括反射薄膜14，所述反射薄膜14形成于所述振子薄膜13上。

本实施例中，所述反射薄膜14优选为纳米金膜，厚度在30nm 左右。

如图4所示，该热应力测量方法在步骤140之后，还包括如下步骤：

步骤150：在所述振子薄膜13上溅镀一反射薄膜14。

在该步骤150中，通过一载玻片将所述单模光纤11和空芯光纤 12固定在磁控溅射镀膜仪的腔室内的旋转平台上，然后调整方向，使所述振子薄膜13朝向纳米金靶材以溅镀形成所述反射薄膜14。

该热应力测量方法通过在所述振子薄膜13上溅镀一层反射薄膜 14，利用所述反射薄膜14弥补所述振子薄膜13反射率不足的问题，所述检测光信号在透过所述振子薄膜13后会被所述反射薄膜14反射回所述光纤空腔121内，避免所述检测光信号溢出至所述光纤空腔 121外，进而提高测量效果。

实施例四

作为实施例三的优化方案，在本实施例中，如图14所示，所述振子薄膜13还包括多个悬挂区域133，各个悬挂区域133连接于所述谐振区域132和固定区域131之间；相邻的悬挂区域133之间为镂空区域134；所述光纤空腔121从所述镂空区域134中露出；所述反射薄膜14的形状与所述振子薄膜13的形状相同。

本实施例中，所述悬挂区域133的数量有四个，相邻的悬挂区域 133之间偏置90°；各个悬挂区域133的宽度从所述固定区域131向所述谐振区域132方向逐渐增大。

如图5所示，该热应力测量方法在步骤140之后，还包括如下步骤：

步骤160：对所述振子薄膜13和反射薄膜14进行刻蚀，使之形成多个镂空区域134，将所述光纤空腔121从所述镂空区域134中露出。

在该步骤160中，采用飞秒激光系统对所述振子薄膜13和反射薄膜14进行刻蚀，将所述单模光纤11和空芯光纤12用夹具夹紧后放置于一三维移动平台上，调整所述夹具的方向，使所述振子薄膜 13和反射薄膜14朝向飞秒激光的光斑焦点，然后调整飞秒激光器的输出功率使其输出一束能量合适的飞秒激光，并将其光斑聚焦在所述振子薄膜13和反射薄膜14上，接着将所述振子薄膜13和反射薄膜 14的刻蚀轨迹数据输入到控制程序中，由所述控制程序根据所述振子薄膜13和反射薄膜14的刻蚀轨迹数据控制所述三维移动平台带动所述振子薄膜13和反射薄膜14沿X方向、Y方向和Z方向进行移动，以完成刻蚀，X方向、Y方向和Z方向间两两相垂直。

与实施例二相同，该热应力测量方法通过在所述振子薄膜13和反射薄膜14上刻蚀出多个镂空区域134，以使所述光纤空腔121从所述镂空区域134中露出与外界连通，消除所述振子薄膜13的内外两侧面之间会形成气压差，提高测量精度；同时，所述镂空区域134 减小了所述振子薄膜13的谐振区域132和固定区域131之间的连接应力，降低了所述固定区域131在所述振子薄膜13振动时对所述谐振区域132的阻力，提高测量精度。

实施例五

作为实施例一、实施例二、实施例三或实施例四的优化方案，在本实施例中，如图15所示，所述纳米腔光机械谐振器1还包括硅毛细管15，所述空芯光纤12插入到一硅毛细管15内；所述硅毛细管 15朝向所述单模光纤11的一端熔接在所述单模光纤11上，另一端密封设置，所述硅毛细管15的内部为真空状态。

本实施例中，所述硅毛细管15的内径在250±6μm之间，大于所述单模光纤11和空芯光纤12的外径。

如图6、7、8和9所示，该热应力测量方法在步骤140、步骤150 或步骤160之后，还包括如下步骤：

步骤170：将所述单模光纤11上的空芯光纤12插入到一硅毛细管15内。

在该步骤170中，如图16所示，将所述单模光纤11和硅毛细管15分别放置于二氧化碳激光系统的左光纤支架和右光纤支架上，然后控制所述左光纤支架和右光纤支架在二氧化碳激光器下相对移动，使所述单模光纤11上的空芯光纤12在所述二氧化碳激光器下插入到所述硅毛细管15内。

步骤180：将所述硅毛细管15朝向所述单模光纤11的一端熔接在所述单模光纤11上。

在该步骤180中，在合适的参数下开启所述二氧化碳激光器，使所述二氧化碳激光器发出二氧化碳激光并打在位于所述单模光纤11 外的硅毛细管15的一端上，使所述硅毛细管15的一端熔化固定在所述单模光纤11上。

步骤190：将所述硅毛细管15内抽真空后，将所述硅毛细管15 的另一端密封设置。

在该步骤190中，将所述硅毛细管15的另一端固定在真空室中，或者将所述硅毛细管15的另一端与另一硅毛细管15的一端相熔接后，将另一硅毛细管15的另一端固定在真空室中，所述真空室对所述硅毛细管15内抽真空(使用真空计测量压力)后，再次开启所述二氧化碳激光器使所述二氧化碳激光器发出二氧化碳激光并打在位于所述硅毛细管15的另一端上，使所述硅毛细管15的另一端熔融后在负压下向管中心聚拢而形成密封端。

该热应力测量方法通过将所述光纤空腔121、振子薄膜13和反射薄膜14等真空封装在所述硅毛细管15内，可将所述光纤空腔121、振子薄膜13和反射薄膜14等与外界隔绝，提高使用寿命，同时避免外界的空气振动、水汽等影响到测量结果，提高测量精度。

优选地，所述硅毛细管15的内部气压小于5*10^^-6mbar。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100：制备一纳米腔光机械谐振器，所述纳米腔光机械谐振器包括振子薄膜；

步骤200：测量获得所述振子薄膜在不同温度下所对应的谐振频率；

步骤300：将所述振子薄膜的谐振频率转化为热应力，并绘制所述振子薄膜的热应力与温度之间的关系曲线。

2.根据权利要求1所述的纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法，其特征在于，在步骤100中，制备所述纳米腔光机械谐振器的步骤如下：

步骤110：取一段单模光纤和一段空芯光纤，将所述单模光纤的第二端面以及所述空芯光纤的第一端面切平；

步骤120：将所述单模光纤切平后的第二端面与所述空芯光纤切平后的第一端面熔接在一起；

步骤130：将所述单模光纤上的空芯光纤裁切至预定长度，以使所述空芯光纤在所述单模光纤的第二端面上形成预定腔长的一光纤空腔；

步骤140：在所述空芯光纤的第二端面上形成一振子薄膜，所述振子薄膜悬空于所述光纤空腔上。

3.根据权利要求2所述的纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法，其特征在于，在步骤140中，所述振子薄膜为石墨烯膜，在所述空芯光纤的第二端面上形成所述振子薄膜的步骤如下：

步骤141：通过化学气相沉积法在铜箔上生长形成石墨烯膜；

步骤142：采用三氯化铁溶液将所述铜箔溶解腐蚀，使所述石墨烯膜转移至所述三氯化铁溶液中；

步骤143：采用去离子水对转移有所述石墨烯膜的三氯化铁溶液进行稀释过滤，使所述石墨烯膜转移漂浮于所述去离子水上；

步骤144：将所述空芯光纤的第二端面缓慢地靠近漂浮于所述去离子水上的石墨烯膜，待所述空芯光纤的第二端面接触到所述石墨烯膜后再缓慢地将其拉离，使所述石墨烯膜转移至所述空芯光纤的第二端面上；

步骤145：对所述空芯光纤上的石墨烯膜进行干燥处理，使所述石墨烯膜悬空于所述光纤空腔上。

4.根据权利要求2所述的纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法，其特征在于，在步骤140之后，还包括如下步骤：

步骤150：在所述振子薄膜上溅镀一反射薄膜。

5.根据权利要求2或4所述的纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法，其特征在于，在步骤140或步骤150之后，还包括如下步骤：

步骤160：对所述振子薄膜或振子薄膜和反射薄膜进行刻蚀，使之形成多个镂空区域，将所述光纤空腔从所述镂空区域中露出。

6.根据权利要求1所述的纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法，其特征在于，在步骤140、步骤150或步骤160之后，还包括如下步骤：

步骤170：将所述单模光纤上的空芯光纤插入到一硅毛细管内；

步骤180：将所述硅毛细管朝向所述单模光纤的一端熔接在所述单模光纤上；

步骤190：将所述硅毛细管内抽真空后，将所述硅毛细管的另一端密封设置。

7.根据权利要求1所述的纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法，其特征在于，在步骤200中，测量获得所述振子薄膜在不同温度下所对应的谐振频率的步骤如下：

步骤210：将具有第一波长的激励光信号以及具有第二波长的检测光信号共同耦合进所述纳米腔光机械谐振器内，使所述激励光信号驱动所述振子薄膜产生谐振；

步骤220：获取被所述纳米腔光机械谐振器反射回来的检测光信号；

步骤230：对被反射回来的检测光信号进行分析，得到所述振子薄膜的谐振频率；

步骤240：将所述纳米腔光机械谐振器加热至不同温度并重复步骤210至步骤230，以获取所述振子薄膜在不同温度下所对应的谐振频率。

8.根据权利要求7所述的纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法，其特征在于，在步骤210之前，还包括步骤：将宽带光信号通入到所述纳米腔光机械谐振器内，获取被所述纳米腔光机械谐振器反射回来的宽带光信号，对被反射回来的宽带光信号进行分析，得到所述振子薄膜的静态反射光谱，根据所述振子薄膜的静态反射光谱，确定所述检测光信号的第二波长。

9.根据权利要求8所述的纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法，其特征在于，将所述静态反射光谱的波峰处下降3dB能量的位置所对应的波长确定为所述检测光信号的第二波长。

10.根据权利要求1所述的纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法，其特征在于，在步骤300中，将所述振子薄膜的谐振频率转化为热应力，并绘制所述振子薄膜的热应力与温度之间的关系曲线的步骤如下：

步骤310：在初始温度下获得所述振子薄膜的初始谐振频率；

步骤320：将所述振子薄膜的初始谐振频率及其振子参数进行仿真模拟，得到所述振子薄膜的初始热应力；

步骤330：根据所述振子薄膜的初始热应力及其在不同温度下所对应的谐振频率，计算出所述振子薄膜在不同温度下所对应的热应力，所述振子薄膜的热应力满足如下公式：

其中，f为所述振子薄膜的谐振频率，f0为所述振子薄膜的初始谐振频率，σ为所述振子薄膜的热应力，σ0为所述振子薄膜的初始热应力；

步骤340：根据所述振子薄膜在不同温度下的热应力，绘制出所述振子薄膜的热应力与温度之间的关系曲线。

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