[发明专利]一种基于MEMS谐振器耦合振子的声子频率梳生成方法

说明书

本发明公开了一种基于MEMS谐振器耦合振子的声子频率梳生成方法，通过增加两个梁的耦合电压使得两个静电耦合的梁发生耦合，当低频谐振梁振幅为6.5～7mV时，将出现内共振现象，此时以内共振频率频率的三倍定频激励高频谐振梁，而在以内共振频率为中心1～40Hz的范围内定频激励低频谐振梁，低频谐振梁的频率响应将呈现等间距的谱线，本发明摆脱了产生声子频率梳时MEMS谐振器中需存在多个强耦合模态的限制，降低了产生频率梳的条件。同时，梳状区域的带宽由激励强度和耦合强度调节。通过改变低频谐振梁或高频谐振梁的激励频率梳，实现任意间距的声子频率梳，具有很强的灵活性。其次，声子频率梳声学频率梳的多频特性具有大幅度提升声学测距、成像以及无线通讯器件性能的潜力。

技术领域

本发明属于微机械系统及非线性动力学技术领域，具体涉及一种基于MEMS谐振器耦合振子的声子频率梳生成方法。

背景技术

光学频率梳被定义为由一系列离散的、等间隔的频率成分组成的宽带光谱，其在频域上表现为具有相等频率间隔的光学频率序列，在时域上表现为飞秒量级时间宽度的电磁场振荡包络序列。光频梳是迄今为止最有效的绝对光学频率测量的工具，其研究已经获得了2005年的诺贝尔物理学奖，堪称世纪之交的一项重大发明。光学频率梳可以通过多种方式产生，包括利用锁模激光以及光学谐振器等，并且已经被成功地应用于精密光谱测量、光学原子钟以及通讯等领域中。正如刻度尺可以测量长度，精密的频率梳可以实现各类频段的频率测量。光学频率梳主要聚焦于电磁波频段，当面向声波、超声波、机械波和热波等机械波形式的频段时，声学频率梳应运而生。

相比于光频梳，声频梳的研究就要滞后很多，正如光学频率梳在光谱学和光频测量方面的广泛应用，声学频率梳的多频特性具有大幅度提升声学测距、成像以及无线通讯器件性能的潜力。由于MEMS谐振器在标称驱动功率水平下也能表现出强大的模态耦合、并且可通过电学、光学等多方法进行表征，使其成为产生和研究声子频率梳的理想平台。但是以往在MEMS谐振器中产生频率梳，需要谐振器可以承受大的驱动振幅以及存在多个强耦合的模态。同时，在谐振器加工完成后，由于结构参数无法改变，诸如耦合强度等关键系统参数难以再进行灵活调节。严格的条件限制和有限的调节灵活性，严重限制了声子频率梳的应用的潜力，使得对声子频率梳的应用仍处于实验室阶段。因此，提出一种更加简便声子频率梳生成机制，以及灵活控制频率梳的梳齿间距和梳状区域的带宽的方法，具有非常重要的现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于MEMS谐振器耦合振子的声子频率梳生成方法，通过两个静电耦合的振子产生频率梳，并且通过外部电压调节两振子的耦合强度以及谐振频率，摆脱以往在MEMS谐振器中产生频率梳时，需要谐振器可以承受大的驱动振幅以及存在多个强耦合的模态的限制，降低了产生频率梳的条件。同时通过改变激励频率，理论上可以实现任意梳齿间距的频率梳，技术具有很强的灵活性。此外，激励幅值、耦合强度可以增加梳状区域的带宽，解决了以往产生声子频率梳的器件不具备带宽可调的特性，为声子率梳在声学测距、成像以及无线通讯等领域的应用奠定基础。

本发明采用以下技术方案：

一种基于MEMS谐振器耦合振子的声子频率梳生成方法，包括以下步骤：

S1、利用低频耦合电极板和高频耦合电极板使低频谐振梁和高频谐振梁形成耦合，通过外部电压调节低频谐振梁和高频谐振梁的耦合强度以及谐振频率；在不同耦合强度下，对低频谐振梁进行扫频，标定内共振产生的频率；

S2、在步骤S1标定的内共振区内，定频激励低频谐振梁，并以三倍的内共振频率定频激励高频谐振梁，使得低频谐振梁的频率响应出现频率梳。

具体的，步骤S1中，低频谐振梁和高频谐振梁的频率比为1:3。