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高频非共振激励下氮化硅薄膜机械振子的频率响应.docx
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高频非共振激励下氮化硅薄膜机械振子的频率响应.docx
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摘要
基于氮化硅薄膜和法布里-珀罗腔的光力系统在量子物理及精密测量等领域具有重要的应用
价值。氮化硅薄膜机械振子共振频率的实时可调对于控制薄膜与光场的相互作用非常重
要。提出并实验验证了利用高频非共振激励调控薄膜振子共振频率的方法。通过建立高频
非共振激励下薄膜振子频率响应模型,搭建光纤干涉仪实时监测薄膜振子的运动情况,发
现通过调节激励电压幅度可以有效地调控薄膜振子的共振频率,同等激励强度下基模共振
频率的漂移量比高阶模大。同时利用该方法对薄膜振子的共振频率进行了稳频,使其漂移
率为未加激励时的 1/200。该方法为薄膜振子的频率稳定、研究机械模式间线性和非线性
耦合以及多模腔光力相互作用等打下了技术基础。
Abstract
Optomechanical systems based on the silicon nitride (SiN) membrane and Fabry-Perot
cavity have important application value in quantum physics and precision measurement.
The tunability of the resonant frequencies of the SiN membrane is significant for
controlling the interaction between the light field and the membrane. In this paper, a
method based on high-frequency nonharmonic excitation to adjust the resonant
frequencies of the SiN membrane is proposed and demonstrated experimentally. First,
we establish the theoretical frequency-response model of the SiN membrane resonator
with a high-frequency nonharmonic excitation. Then, a fiber-optic Fabry-Perot
interferometer is constructed to measure the vibration of the SiN membrane.
Experimental results show the resonant frequencies of the SiN membrane can be
adjusted by controlling the exciting voltage. The frequency shift of fundamental mode is
more than that of high-order modes. Further, the proposed method is used to stabilize
the resonant frequency of the SiN membrane, and the corresponding frequency shift rate
is 1/200 of that without excitation. This paper provides a simple and robust method for
stabilizing the resonant frequencies of SiN membranes and for controlling the linear and
nonlinear coupling between mechanical modes and multi-mode cavity optical force
interaction.
1 引言
研究光场与机械振子相互作用的光力学为探究宏观物体的量子效应和量子-经典边界提供了
一个独特的平台
[1-5]
,同时其在量子存储
[6]
、微波和光波之间的相干转换
[7]
以及对力
[8]
、温度
[9]
、电荷
[10-11]
、磁场
[12]
等物理量的超灵敏测量领域
[13-17]
具有重要的应用价
值。根据所用光学谐振腔的类型,光力学实验系统主要包括回音壁腔型
[18-21]
、光子晶体
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