本發(fā)明涉及量子光力學(xué)和聲學(xué)領(lǐng)域，具體是一種高機械品質(zhì)因子的薄膜諧振子實現(xiàn)裝置。

背景技術(shù)：

高張力氮化硅薄膜諧振子由于其對激光的極低吸收系數(shù)以及較高的機械品質(zhì)因子，已成為腔光力學(xué)研究領(lǐng)域的重要器件?；诳煞直孢厧Ю鋮s的方案，氮化硅薄膜諧振子目前已經(jīng)被冷卻到接近乃至達到量子基態(tài)，并已經(jīng)被應(yīng)用于壓縮光場的產(chǎn)生，引力波探測，微波與光場的高效相互轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。值得注意的是，在目前已經(jīng)開展或即將開展的實驗工作中，薄膜諧振子的機械品質(zhì)因子是一個非常重要的技術(shù)指標(biāo)，高的機械品質(zhì)因子是實現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用的前提條件。

目前，覆蓋在硅質(zhì)基片上的氮化硅薄膜已可以實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，但是在具體應(yīng)用中，必須將其固定在一個支架上方可使用，但是固定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的聲子隧穿損耗極大的限制了氮化硅薄膜諧振子的機械品質(zhì)因子。在前期研究中，研究人員通過改善氮化硅薄膜基片的固定方式，即減少基片同其安裝支架之間的接觸面積，以及減小固定膠點的體積等方法來提高薄膜的品質(zhì)因子。最近，研究人員提出利用周期性結(jié)構(gòu)的聲子晶體形成聲子禁帶盾對聲波傳播進行有效的屏蔽，從而提高機械諧振子的品質(zhì)因子。2014年哥本哈根大學(xué)波爾研究所[Y.Tsaturyan,et al.,Opt.Express 22,6810(2014)]和美國NIST研究小組[P.-L.Yu,et al.,Appl.Phys.Lett.104,023510(2014)]將這種方法引入到氮化硅薄膜諧振子的裝配中，通過在薄膜周圍的硅基片上制作聲子晶體，實現(xiàn)了一種與固定方式無關(guān)的高機械品質(zhì)因子薄膜諧振子。在上述的方案中，僅依靠減少接觸面積和膠的使用需要極其精巧的人工操作，并且成品率很低；同時，由于量子光力實驗需要將樣品放置在極低溫度的高真空環(huán)境中，該方法難以保證樣品在溫度從室溫到極低溫變化過程中的固定穩(wěn)固性。另一方面，通過聲子晶體形成的聲子禁帶盾雖然具有較好的聲波屏蔽效果，然而設(shè)計較為復(fù)雜，在制作過程中需要使用光刻、化學(xué)蝕刻等微納加工技術(shù)，工藝較為復(fù)雜，成本昂貴。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高機械品質(zhì)因子薄膜諧振子的實現(xiàn)裝置，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，成品率高，成本低廉的優(yōu)點，可以應(yīng)用于量子光力學(xué)實驗系統(tǒng)中。

本發(fā)明提供的一種高機械品質(zhì)因子薄膜諧振子的實現(xiàn)裝置，包括薄膜芯片(3)、金屬固定框架(1)和光纖微梁(2)；

所述的金屬固定框架(1)為方形板狀中空結(jié)構(gòu)，中空結(jié)構(gòu)的上下邊間距用以精確控制光纖微梁(2)的有效長度；光纖微梁(2)的有效長度為中空結(jié)構(gòu)的上下邊間距與薄膜芯片(3)邊長之差的一半；金屬固定框架(1)的上下邊框的前表面上分別刻有垂直于邊框的相對應(yīng)的兩對平行窄槽(6)，兩根施加張力后的微光纖分別固定在金屬固定框架(1)的上下邊框的兩對平行窄槽(6)中，薄膜芯片(3)固定在兩根微光纖的中部，并與金屬固定框架(1)的上下邊框平行且等距，將微光纖分隔，形成四個等長的光纖微梁(2)。

所述的薄膜芯片(3)由高張力的方形氮化硅薄膜諧振子(4)覆蓋在中間有方形窗口的方形硅質(zhì)基片(5)之上構(gòu)成。

所述的微光纖由單模石英光纖拉錐制成，拉錐后光纖的截面直徑小于50微米。

所述的金屬固定框架(1)的材料優(yōu)選為殷鋼。

所述的平行窄槽(6)與微光纖的固定，微光纖與薄膜芯片(3)的固定均是通過環(huán)氧樹脂膠粘接固定。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點和效果：

本發(fā)明提供了一種基于光纖微梁諧振子聲波濾波器的原理實現(xiàn)高機械品質(zhì)因子薄膜諧振子的裝置，有效抑制了薄膜諧振子的聲子隧穿損耗，提高了薄膜諧振子的機械品質(zhì)因子；該裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低、性能穩(wěn)定，在室溫和10^-6毫巴的真空環(huán)境下，基于該裝置的氮化硅薄膜諧振子的品質(zhì)因子可達1.5×10⁶以上。

本發(fā)明的裝置同已有的直接固定裝配方式相比，一方面可以高效的抑制薄膜諧振子基片到固定安裝架的聲子隧穿損耗，另一方面器件的重復(fù)性和穩(wěn)定性高，并且在低溫真空環(huán)境中仍可以具有較好的穩(wěn)定性。

本發(fā)明的裝置同已有的聲子禁帶盾結(jié)構(gòu)裝配方式相比，在隔離聲子隧穿損耗方面的效果相當(dāng)，但是結(jié)構(gòu)簡單，不需要復(fù)雜的光刻和化學(xué)蝕刻等微納加工設(shè)備和工藝，在大多數(shù)光學(xué)實驗室即可自行制作，成本低廉。

本發(fā)明的裝置所包含的金屬固定框架(1)在保證內(nèi)部空間尺寸的前提下，外形可以按照應(yīng)用場合的需要改變，可以靈活滿足各種不同應(yīng)用環(huán)境的需求。

附圖說明

圖1本發(fā)明高機械品質(zhì)因子氮化硅薄膜諧振子實現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2本發(fā)明高機械品質(zhì)因子氮化硅薄膜諧振子實現(xiàn)裝置中薄膜芯片(3)的側(cè)剖面圖

圖3本發(fā)明裝置對聲子隧穿的抑制效果圖

圖4本發(fā)明裝置實現(xiàn)的高機械品質(zhì)因子薄膜諧振子基模和(2，2)模振動模式以及機械品質(zhì)因子的測量結(jié)果圖

具體實施方式

一種高機械品質(zhì)因子薄膜諧振子實現(xiàn)裝置。其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，包括金屬固定框架(1)、光纖微梁(2)以及氮化硅薄膜芯片(3)；金屬固定框架(1)為方形板狀中空結(jié)構(gòu)，中間方形空間寬度為7mm，用以控制光纖微梁(2)的長度，框架的上下邊框的前表面分別刻有垂直于邊框的寬度為0.2mm、深度為0.5mm的平行窄槽，用于光纖微梁(2)的固定，金屬固定框架(1)的外部形狀和尺寸可以根據(jù)具體的應(yīng)用場合需要而設(shè)計；光纖微梁(2)為單模石英光纖拉制而成，直徑為30微米；氮化硅薄膜芯片(3)中間方形孔邊長為500微米，厚度50nm、張力為0.9GPa的方形氮化硅薄膜諧振子(4)覆蓋在邊長5mm、厚度為0.5mm的方形硅質(zhì)基片(5)上，氮化硅薄膜諧振子(4)的基模振動頻率在800kHz附近，(2，2)模的振動頻率在1.6MHz附近。

裝配時首先將拉制好的微光纖放置于金屬固定框架(1)上的平行窄槽內(nèi)，以確定兩根光纖的相對距離，而后使用環(huán)氧樹脂膠將微光纖的一端同金屬固定框架(1)相對固定，環(huán)氧樹脂膠在固化后具有較高的硬度，可以在低溫真空環(huán)境下保持足夠的強度，并且對于所粘接的材料沒有腐蝕性；待微光纖的一端同金屬固定框架(1)固定牢固后，將金屬固定框架(1)垂直懸空并保持穩(wěn)定，同時在微光纖的懸空端掛載質(zhì)量為25g的砝碼，此時，微光纖內(nèi)部被附加了346.6MPa的張力，而后再用環(huán)氧樹脂膠將該端固定；將氮化硅薄膜芯片(3)使用精密調(diào)節(jié)系統(tǒng)放置在兩根微光纖的中間并用環(huán)氧樹脂膠粘接固定，上下兩邊距離金屬邊框為1mm，此時，在金屬固定框架(1)和氮化硅薄膜芯片(3)之間形成了四段直徑30微米、長度為1mm、內(nèi)含張力346.6MPa的光纖微梁(2)，其前四階振動模式的本征振動頻率理論值分別為275.3kHz，587.6kHz，1024.2kHz和2368.9kHz，與氮化硅薄膜諧振子(4)的基模和(2，2)模的本征振動頻率不重疊。

使用光學(xué)干涉儀對本發(fā)明裝置的振動隔離效果進行測試，一束1064nm弱探針光正入射到方形硅質(zhì)基片(5)上被反射，反射光同另一束強的本地振蕩光入射到50:50分束器上進行干涉，兩束光的相對相位鎖定到π/2，出射的光場注入到平衡零拍探測器，從而通過對反射探針光相位起伏的測量實現(xiàn)方形硅質(zhì)基片(5)位移的測量；在測量過程中，本發(fā)明裝置固定在一個壓電陶瓷驅(qū)動器上以加載外部力學(xué)驅(qū)動，同時在金屬固定框架(1)上粘接了與方形硅質(zhì)基片(5)一致的基片作為驅(qū)動力參考基準(zhǔn)；通過使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對樣品的振動進行測量，網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出端與固定有樣品的壓電陶瓷相連，平衡零拍探測器的輸出信號接入到網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入端進行記錄。

圖3所示為利用網(wǎng)絡(luò)分析儀記錄的200kHz到2MHz范圍內(nèi)的樣品位移測量結(jié)果，前3階的微梁振動頻率分別為273.8kHz、576kHz和1025kHz，同理論計算值相符合。從圖2可以看出，在200kHz-1MHz左右的范圍內(nèi)，光纖微梁(2)將振動能量抑制了約30dB，其中在600kHz-1MHz范圍內(nèi)抑制效果可以達到40dB。

圖4所示為氮化硅薄膜諧振子(4)的基模和(2，2)模的本征振動模式以及利用衰蕩方法測量得到的氮化硅薄膜諧振子(4)的機械品質(zhì)因子。從圖中可以看出，基模和(2，2)模的機械品質(zhì)因子分別達到了1.78×10⁶和1.56×10⁶，其中，測量條件為室溫及真空環(huán)境。