一种高机械品质因子的薄膜谐振子实现装置的制作方法

本发明涉及量子光力学和声学领域，具体是一种高机械品质因子的薄膜谐振子实现装置。

背景技术：

高张力氮化硅薄膜谐振子由于其对激光的极低吸收系数以及较高的机械品质因子，已成为腔光力学研究领域的重要器件。基于可分辨边带冷却的方案，氮化硅薄膜谐振子目前已经被冷却到接近乃至达到量子基态，并已经被应用于压缩光场的产生，引力波探测，微波与光场的高效相互转换等领域。值得注意的是，在目前已经开展或即将开展的实验工作中，薄膜谐振子的机械品质因子是一个非常重要的技术指标，高的机械品质因子是实现相关应用的前提条件。

目前，覆盖在硅质基片上的氮化硅薄膜已可以实现商业化生产，但是在具体应用中，必须将其固定在一个支架上方可使用，但是固定结构产生的声子隧穿损耗极大的限制了氮化硅薄膜谐振子的机械品质因子。在前期研究中，研究人员通过改善氮化硅薄膜基片的固定方式，即减少基片同其安装支架之间的接触面积，以及减小固定胶点的体积等方法来提高薄膜的品质因子。最近，研究人员提出利用周期性结构的声子晶体形成声子禁带盾对声波传播进行有效的屏蔽，从而提高机械谐振子的品质因子。2014年哥本哈根大学波尔研究所[Y.Tsaturyan,et al.,Opt.Express 22,6810(2014)]和美国NIST研究小组[P.-L.Yu,et al.,Appl.Phys.Lett.104,023510(2014)]将这种方法引入到氮化硅薄膜谐振子的装配中，通过在薄膜周围的硅基片上制作声子晶体，实现了一种与固定方式无关的高机械品质因子薄膜谐振子。在上述的方案中，仅依靠减少接触面积和胶的使用需要极其精巧的人工操作，并且成品率很低；同时，由于量子光力实验需要将样品放置在极低温度的高真空环境中，该方法难以保证样品在温度从室温到极低温变化过程中的固定稳固性。另一方面，通过声子晶体形成的声子禁带盾虽然具有较好的声波屏蔽效果，然而设计较为复杂，在制作过程中需要使用光刻、化学蚀刻等微纳加工技术，工艺较为复杂，成本昂贵。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高机械品质因子薄膜谐振子的实现装置，该装置具有结构简单，成品率高，成本低廉的优点，可以应用于量子光力学实验系统中。

本发明提供的一种高机械品质因子薄膜谐振子的实现装置，包括薄膜芯片(3)、金属固定框架(1)和光纤微梁(2)；

所述的金属固定框架(1)为方形板状中空结构，中空结构的上下边间距用以精确控制光纤微梁(2)的有效长度；光纤微梁(2)的有效长度为中空结构的上下边间距与薄膜芯片(3)边长之差的一半；金属固定框架(1)的上下边框的前表面上分别刻有垂直于边框的相对应的两对平行窄槽(6)，两根施加张力后的微光纤分别固定在金属固定框架(1)的上下边框的两对平行窄槽(6)中，薄膜芯片(3)固定在两根微光纤的中部，并与金属固定框架(1)的上下边框平行且等距，将微光纤分隔，形成四个等长的光纤微梁(2)。

所述的薄膜芯片(3)由高张力的方形氮化硅薄膜谐振子(4)覆盖在中间有方形窗口的方形硅质基片(5)之上构成。

所述的微光纤由单模石英光纤拉锥制成，拉锥后光纤的截面直径小于50微米。

所述的金属固定框架(1)的材料优选为殷钢。

所述的平行窄槽(6)与微光纤的固定，微光纤与薄膜芯片(3)的固定均是通过环氧树脂胶粘接固定。

与现有技术相比，本发明的优点和效果：

本发明提供了一种基于光纤微梁谐振子声波滤波器的原理实现高机械品质因子薄膜谐振子的装置，有效抑制了薄膜谐振子的声子隧穿损耗，提高了薄膜谐振子的机械品质因子；该装置结构简单、成本低、性能稳定，在室温和10^-6毫巴的真空环境下，基于该装置的氮化硅薄膜谐振子的品质因子可达1.5×10⁶以上。

本发明的装置同已有的直接固定装配方式相比，一方面可以高效的抑制薄膜谐振子基片到固定安装架的声子隧穿损耗，另一方面器件的重复性和稳定性高，并且在低温真空环境中仍可以具有较好的稳定性。

本发明的装置同已有的声子禁带盾结构装配方式相比，在隔离声子隧穿损耗方面的效果相当，但是结构简单，不需要复杂的光刻和化学蚀刻等微纳加工设备和工艺，在大多数光学实验室即可自行制作，成本低廉。

本发明的装置所包含的金属固定框架(1)在保证内部空间尺寸的前提下，外形可以按照应用场合的需要改变，可以灵活满足各种不同应用环境的需求。

附图说明

图1本发明高机械品质因子氮化硅薄膜谐振子实现装置结构示意图

图2本发明高机械品质因子氮化硅薄膜谐振子实现装置中薄膜芯片(3)的侧剖面图

图3本发明装置对声子隧穿的抑制效果图

图4本发明装置实现的高机械品质因子薄膜谐振子基模和(2，2)模振动模式以及机械品质因子的测量结果图

具体实施方式

一种高机械品质因子薄膜谐振子实现装置。其结构如图1、图2所示，包括金属固定框架(1)、光纤微梁(2)以及氮化硅薄膜芯片(3)；金属固定框架(1)为方形板状中空结构，中间方形空间宽度为7mm，用以控制光纤微梁(2)的长度，框架的上下边框的前表面分别刻有垂直于边框的宽度为0.2mm、深度为0.5mm的平行窄槽，用于光纤微梁(2)的固定，金属固定框架(1)的外部形状和尺寸可以根据具体的应用场合需要而设计；光纤微梁(2)为单模石英光纤拉制而成，直径为30微米；氮化硅薄膜芯片(3)中间方形孔边长为500微米，厚度50nm、张力为0.9GPa的方形氮化硅薄膜谐振子(4)覆盖在边长5mm、厚度为0.5mm的方形硅质基片(5)上，氮化硅薄膜谐振子(4)的基模振动频率在800kHz附近，(2，2)模的振动频率在1.6MHz附近。

装配时首先将拉制好的微光纤放置于金属固定框架(1)上的平行窄槽内，以确定两根光纤的相对距离，而后使用环氧树脂胶将微光纤的一端同金属固定框架(1)相对固定，环氧树脂胶在固化后具有较高的硬度，可以在低温真空环境下保持足够的强度，并且对于所粘接的材料没有腐蚀性；待微光纤的一端同金属固定框架(1)固定牢固后，将金属固定框架(1)垂直悬空并保持稳定，同时在微光纤的悬空端挂载质量为25g的砝码，此时，微光纤内部被附加了346.6MPa的张力，而后再用环氧树脂胶将该端固定；将氮化硅薄膜芯片(3)使用精密调节系统放置在两根微光纤的中间并用环氧树脂胶粘接固定，上下两边距离金属边框为1mm，此时，在金属固定框架(1)和氮化硅薄膜芯片(3)之间形成了四段直径30微米、长度为1mm、内含张力346.6MPa的光纤微梁(2)，其前四阶振动模式的本征振动频率理论值分别为275.3kHz，587.6kHz，1024.2kHz和2368.9kHz，与氮化硅薄膜谐振子(4)的基模和(2，2)模的本征振动频率不重叠。

使用光学干涉仪对本发明装置的振动隔离效果进行测试，一束1064nm弱探针光正入射到方形硅质基片(5)上被反射，反射光同另一束强的本地振荡光入射到50:50分束器上进行干涉，两束光的相对相位锁定到π/2，出射的光场注入到平衡零拍探测器，从而通过对反射探针光相位起伏的测量实现方形硅质基片(5)位移的测量；在测量过程中，本发明装置固定在一个压电陶瓷驱动器上以加载外部力学驱动，同时在金属固定框架(1)上粘接了与方形硅质基片(5)一致的基片作为驱动力参考基准；通过使用网络分析仪对样品的振动进行测量，网络分析仪的输出端与固定有样品的压电陶瓷相连，平衡零拍探测器的输出信号接入到网络分析仪的输入端进行记录。

图3所示为利用网络分析仪记录的200kHz到2MHz范围内的样品位移测量结果，前3阶的微梁振动频率分别为273.8kHz、576kHz和1025kHz，同理论计算值相符合。从图2可以看出，在200kHz-1MHz左右的范围内，光纤微梁(2)将振动能量抑制了约30dB，其中在600kHz-1MHz范围内抑制效果可以达到40dB。

图4所示为氮化硅薄膜谐振子(4)的基模和(2，2)模的本征振动模式以及利用衰荡方法测量得到的氮化硅薄膜谐振子(4)的机械品质因子。从图中可以看出，基模和(2，2)模的机械品质因子分别达到了1.78×10⁶和1.56×10⁶，其中，测量条件为室温及真空环境。