[發明專利]一種基于MEMS諧振器耦合振子的聲子頻率梳生成方法

有效

• 申請號: 202110320632.6
• 申請日: 2021-03-25
• 公開（公告）號: CN113098427B
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發明（設計）人: 韋學勇;陽琪琪;王雪峰;徐柳;徐宇濤;宦榮華
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H03H9/02
• 分類號: H03H9/02;H03H9/24;B81B7/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 高博

本發明公開了一種基于MEMS諧振器耦合振子的聲子頻率梳生成方法，通過增加兩個梁的耦合電壓使得兩個靜電耦合的梁發生耦合，當低頻諧振梁振幅為6.5～7mV時，將出現內共振現象，此時以內共振頻率頻率的三倍定頻激勵高頻諧振梁，而在以內共振頻率為中心1～40Hz的范圍內定頻激勵低頻諧振梁，低頻諧振梁的頻率響應將呈現等間距的譜線，本發明擺脫了產生聲子頻率梳時MEMS諧振器中需存在多個強耦合模態的限制，降低了產生頻率梳的條件。同時，梳狀區域的帶寬由激勵強度和耦合強度調節。通過改變低頻諧振梁或高頻諧振梁的激勵頻率梳，實現任意間距的聲子頻率梳，具有很強的靈活性。其次，聲子頻率梳聲學頻率梳的多頻特性具有大幅度提升聲學測距、成像以及無線通訊器件性能的潛力。

技術領域

本發明屬于微機械系統及非線性動力學技術領域，具體涉及一種基于MEMS諧振器耦合振子的聲子頻率梳生成方法。

背景技術

光學頻率梳被定義為由一系列離散的、等間隔的頻率成分組成的寬帶光譜，其在頻域上表現為具有相等頻率間隔的光學頻率序列，在時域上表現為飛秒量級時間寬度的電磁場振蕩包絡序列。光頻梳是迄今為止最有效的絕對光學頻率測量的工具，其研究已經獲得了2005年的諾貝爾物理學獎，堪稱世紀之交的一項重大發明。光學頻率梳可以通過多種方式產生，包括利用鎖模激光以及光學諧振器等，并且已經被成功地應用于精密光譜測量、光學原子鐘以及通訊等領域中。正如刻度尺可以測量長度，精密的頻率梳可以實現各類頻段的頻率測量。光學頻率梳主要聚焦于電磁波頻段，當面向聲波、超聲波、機械波和熱波等機械波形式的頻段時，聲學頻率梳應運而生。

相比于光頻梳，聲頻梳的研究就要滯后很多，正如光學頻率梳在光譜學和光頻測量方面的廣泛應用，聲學頻率梳的多頻特性具有大幅度提升聲學測距、成像以及無線通訊器件性能的潛力。由于MEMS諧振器在標稱驅動功率水平下也能表現出強大的模態耦合、并且可通過電學、光學等多方法進行表征，使其成為產生和研究聲子頻率梳的理想平臺。但是以往在MEMS諧振器中產生頻率梳，需要諧振器可以承受大的驅動振幅以及存在多個強耦合的模態。同時，在諧振器加工完成后，由于結構參數無法改變，諸如耦合強度等關鍵系統參數難以再進行靈活調節。嚴格的條件限制和有限的調節靈活性，嚴重限制了聲子頻率梳的應用的潛力，使得對聲子頻率梳的應用仍處于實驗室階段。因此，提出一種更加簡便聲子頻率梳生成機制，以及靈活控制頻率梳的梳齒間距和梳狀區域的帶寬的方法，具有非常重要的現實意義。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種基于MEMS諧振器耦合振子的聲子頻率梳生成方法，通過兩個靜電耦合的振子產生頻率梳，并且通過外部電壓調節兩振子的耦合強度以及諧振頻率，擺脫以往在MEMS諧振器中產生頻率梳時，需要諧振器可以承受大的驅動振幅以及存在多個強耦合的模態的限制，降低了產生頻率梳的條件。同時通過改變激勵頻率，理論上可以實現任意梳齒間距的頻率梳，技術具有很強的靈活性。此外，激勵幅值、耦合強度可以增加梳狀區域的帶寬，解決了以往產生聲子頻率梳的器件不具備帶寬可調的特性，為聲子率梳在聲學測距、成像以及無線通訊等領域的應用奠定基礎。

本發明采用以下技術方案：

一種基于MEMS諧振器耦合振子的聲子頻率梳生成方法，包括以下步驟：

S1、利用低頻耦合電極板和高頻耦合電極板使低頻諧振梁和高頻諧振梁形成耦合，通過外部電壓調節低頻諧振梁和高頻諧振梁的耦合強度以及諧振頻率；在不同耦合強度下，對低頻諧振梁進行掃頻，標定內共振產生的頻率；

S2、在步驟S1標定的內共振區內，定頻激勵低頻諧振梁，并以三倍的內共振頻率定頻激勵高頻諧振梁，使得低頻諧振梁的頻率響應出現頻率梳。

具體的，步驟S1中，低頻諧振梁和高頻諧振梁的頻率比為1:3。