石墨烯谐振子及基于石墨烯谐振子的声子激射器和方法与流程

[0001]
本发明涉及到二维材料谐振子制备、腔光力学、声子信息器件、精密测量等技术领域，特别涉及一种利用石墨烯谐振子实现声子激射器的方法及装置。


背景技术：

[0002]
近些年来，快速发展的激光技术在光量子信息领域方面做出了巨大贡献，极大推动了人们对量子物理学的认知。同光子相比，声子(晶格振动能量量子)具有几个独特的优势：一是声子在相同频率下具有更短的波长，即声子更加局域化，相对微波和光子而言，在芯片上传递速度比较慢，因此更易于操控，可以在成像和精密加工等应用中实现更高的分辨率；二是声子的相干时间比较长，对于经典的相干信息传递和处理以及量子信息处理都有重要意义；三是在固态体系中，声子和许多物理体系(如电子)的耦合都比较强，可用于复合量子体系的扩展和操控等领域。因此，人们对声子激射器在经典和量子信息处理领域的应用都非常感兴趣。然而，基于激光原理的声子激射现象，一直以来很难有效地推动声子激光器的实际应用。随着近年来微纳机电系统的快速发展，机械振子和激光构成的光机电系统成为探索声子激光器的有效手段。而基于石墨烯制备的机械振子具有质量小、频率高、品质因子大等优点，这些优点有利于我们利用它进行声子激射的基础和应用研究。石墨烯机械振子与芯片上的微孔组成了光学谐振腔腔体，在激光入射到该光学谐振腔时，蓝失谐激光在石墨烯上产生的光辐射压力会随着激光功率的的增大，对谐振子的声子耗散产生影响，使得声子耗散的程度逐渐减小，直至为零。此后石墨烯机械振子中的声子会出现类似于激光中光子的受激辐射过程，声子数随泵浦激光功率增加表现出明显的阈值效应，即出现了声子激射现象。随着石墨烯机械谐子的振动，光学谐振腔反射的激光光强在高频状态下被同步调制，通过光电探测器转换为电信号再经频谱分析仪处理，即可提取出机械振子的谐振模式，对声子激射这一现象进行探究。


技术实现要素：

[0003]
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种石墨烯谐振子，以及基于石墨烯谐振子的声子激射器和工作方法
[0004]
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
[0005]
一种石墨烯谐振子，包括衬底芯片，所述的衬底芯片通过刻蚀硅晶片来制备，衬底芯片包括底部的硅层，硅层上表面左右两端有二氧化硅层，二氧化硅层中间设有凹槽，凹槽正上方覆盖石墨烯薄膜，石墨烯薄膜通过机械剥离块状石墨得到，石墨烯薄膜的两端覆盖部分二氧化硅层，衬底芯片和石墨烯薄膜之间构成一个光学谐振腔。
[0006]
作为优选方式，在激光入射到该光学谐振腔时，蓝失谐激光在石墨烯上产生的光辐射压力会随着激光功率的增大，导致石墨烯谐振子中的声子耗散减小，直至为零；此后石墨烯谐振子中的声子会表现出类似激光中光子受激辐射过程，声子数随泵浦激光功率增加表现出明显的阈值效应，即出现了声子激射现象，得到声子激射器。
[0007]
为实现上述发明目的，本发明还提供一种基于石墨烯谐振子的声子激射器，包括上述石墨烯谐振子8，其为：沿光路方向，依次包括驱动激光源1、和驱动激光源1中心对准的第一光纤耦合器21、和第一光纤耦合器21通过光纤连接的第二光纤耦合器22、和第二光纤耦合器22中心对准的第一半波片31、和第一半波片31中心对准且和第一半波片31夹角呈45度的第一高反镜41、和第一高反镜41的出射光对准的第一偏振分束棱镜51、和第一偏振分束棱镜51的出射光对准的第二半波片32、和第二半波片32的出射光对准的第二偏振分束棱镜52、和第二偏振分束棱镜52的出射光对准的四分之一波片6、和四分之一波片6中心对准的物镜7、和物镜7中心对准的石墨烯谐振子8、石墨烯谐振子8固定在纳米电动位移台9上，和第二偏振分束棱镜52的出射光对准的分束器10、分束器10的一部分出射光和ccd相机11中心对齐、另一部分出射光和第二高反镜42中心对齐，和第二高反镜42的出射光对准的滤波片12、和滤波片12中心对准的光电探测器13、和光电探测器13电性连接的频谱分析仪14，第一偏振分束棱镜51远离第二半波片32的一侧设有照明光源15，照明光源15和所述第一偏振分束棱镜51的出射光对准。
[0008]
作为优选方式，驱动激光源1的泵浦激光同时用于激光干涉测量谐振子振动模式，激光以自由空间光的形式通过物镜聚焦照射在石墨烯谐振子8表面，石墨烯谐振子8与硅衬底芯片之间形成光学谐振腔，随着石墨烯谐振子8的振动，光学谐振腔反射的激光光强被同步调制，通过光电探测器转换为电信号再经频谱分析仪即可提取出石墨烯谐振子的谐振模式。
[0009]
作为优选方式，所述分束器10为10:90分束器。
[0010]
作为优选方式，纳米电动位移台9是个三轴位移台，沿空间三维方向移动，初始时通过位移台的移动使物镜7中心和石墨烯谐振器8中心对准。
[0011]
作为优选方式，驱动激光源采用633nm单模连续光激光器。
[0012]
作为优选方式，白色led作为ccd成像的照明光源；
[0013]
为实现上述发明目的，本发明还提供一种上述基于石墨烯谐振子的声子激射器的工作方法，其为：驱动激光源1发出激光，经过第一光纤耦合器21准直收集、第二光纤耦合器22再准直后，平行进入第一半波片31，第一半波片31的出射光被该半波片改变偏振后，经第一高反镜41改变光路方向，使激光垂直入射到第一偏振分束棱镜51，第一偏振分束棱镜51将具有竖直偏振方向的激光反射，使第一偏振分束棱镜51的出射光垂直经第二半波片32中心，被第二半波片32改变偏振态的激光，进入第二偏振分束棱镜52，此时激光透过第二偏振分束棱镜52，并经四分之一波片6改变偏振态，四分之一波片6的出射光经过物镜7聚焦后，照射纳米电动位移台9上垂直固定的石墨烯谐振子8，石墨烯谐振子8反射的激光经物镜7收集、被四分之一波片6再次改变偏振态后，第二次经过第二偏振分束棱镜52，第二偏振分束棱镜52反射此偏振的激光，使该激光进入分束器10，分束器10对激光光束进行分束，一束进入ccd相机用于成像，另一束经第二高反镜42改变光路方向，激光经过滤波片12过滤后，保证与驱动激光源1同波长的激光进入光电探测器13，光电探测器13将接受的光信号转换为电信号，该电信号经频谱分析仪14提取石墨烯谐振子8的谐振模式，所有的半波片和四分之一波片也用于调节光路中各部分激光的功率；纳米电动位移台9用于调节石墨烯谐振子的位置，使得激光光斑能够准确聚焦到石墨烯谐振子的目标位置。
[0014]
作为优选方式，所述工作方法进一步：将波长为633nm的驱动连续光激光源聚焦到
光学谐振腔上，再利用90:10分束器，将石墨烯谐振子8反射的激光光束分为两束，其中一束用于成像，另一束则被光电探测器转换为电信号，通过频谱分析后经频谱分析仪提取石墨烯机械振子的谐振模式，获得谐振子振动的频域信息；随着激光功率增加，声子出现了明显的阈值效应，声子发生激射，成为一个声子激射器；保证装置正常运行，能观测到石墨烯谐振子8的机械振动模式后，旋转光路中的半波片和四分之一波片，来改变聚焦在石墨烯薄膜上的激光功率；在不损坏石墨烯薄膜的前提下，增加入射激光的光功率，根据频谱信息中振动模式的幅值变化判断声子激射器的实现情况。这个幅值变化是以图4为基础，如果出现类似图4中幅值变化，则可以判断声子激射器实现。
[0015]
本发明的有益效果为：相比于已知的声子激射器装置，本发明所述声子激射器具有制备工艺简单、技术难度低、易于芯片集成和批量化制备等优点。稳定可控的声子激射器在发展声学量子信息器件、实现不同量子信息系统间的信息交互以及精密测量等领域，具有重要的基础研究意义和广泛的应用前景。
附图说明
[0016]
图1为本发明的基于石墨烯谐振子的声子激射器的装置示意图。
[0017]
图2为本发明石墨烯谐振子激光泵浦驱动测量原理示意图。
[0018]
图3为本发明石墨烯谐振子光镜、电镜图像，以及谐振模式的频域显示。其中(a).悬浮石墨烯谐振子光镜图。(b).悬浮石墨烯谐振子电镜图。(c).悬浮石墨烯谐振子测量频谱图。
[0019]
图4为本发明不同入射光功率下谐振模式信息的变化趋势图。其中(a)图为不同入射光功率下某一振动模式变化瀑布图；图(b)为不同入射光功率下某一振动模式峰值变化曲线。
[0020]
其中，1为驱动激光源，21为第一光纤耦合器，22为第二光纤耦合器，31为第一半波片，32为第二半波片，41为第一高反镜，42为第二高反镜，51为第一偏振分束棱镜，52为第二偏振分束棱镜，6为四分之一波片，7为物镜，8为石墨烯谐振子，9为纳米电动位移台，10为分束器，11为ccd相机，12为滤波片，13光电探测器，14为频谱分析仪，15为照明光源。
具体实施方式
[0021]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0022]
本实施例提供一种石墨烯谐振子，包括衬底芯片，所述的衬底芯片通过刻蚀硅晶片来制备，衬底芯片包括底部的硅层，硅层上表面左右两端有二氧化硅层，二氧化硅层中间设有凹槽，凹槽正上方覆盖石墨烯薄膜，石墨烯薄膜通过机械剥离块状石墨得到，石墨烯薄膜的两端覆盖部分二氧化硅层，衬底芯片和石墨烯薄膜之间构成一个光学谐振腔。
[0023]
在激光入射到该光学谐振腔时，蓝失谐激光在石墨烯上产生的光辐射压力会随着激光功率的增大，导致石墨烯谐振子中的声子耗散减小，直至为零；此后石墨烯谐振子中的声子会表现出类似激光中光子受激辐射过程，声子数随泵浦激光功率增加表现出明显的阈
值效应，即出现了声子激射现象，得到声子激射器。
[0024]
如图1所示，本实施例还提供一种基于石墨烯谐振子的声子激射器，包括上述石墨烯谐振子8，其为：沿光路方向，依次包括驱动激光源1、和驱动激光源1中心对准的第一光纤耦合器21、和第一光纤耦合器21通过光纤连接的第二光纤耦合器22、和第二光纤耦合器22中心对准的第一半波片31、和第一半波片31中心对准且和第一半波片31夹角呈45度的第一高反镜41、和第一高反镜41的出射光对准的第一偏振分束棱镜51、和第一偏振分束棱镜51的出射光对准的第二半波片32、和第二半波片32的出射光对准的第二偏振分束棱镜52、和第二偏振分束棱镜52的出射光对准的四分之一波片6、和四分之一波片6中心对准的物镜7、和物镜7中心对准的石墨烯谐振子8、石墨烯谐振子8固定在纳米电动位移台9上，和第二偏振分束棱镜52的出射光对准的分束器10、分束器10的一部分出射光和ccd相机11中心对齐、另一部分出射光和第二高反镜42中心对齐，和第二高反镜42的出射光对准的滤波片12、和滤波片12中心对准的光电探测器13、和光电探测器13电性连接的频谱分析仪14，第一偏振分束棱镜51远离第二半波片32的一侧设有照明光源15，照明光源15和所述第一偏振分束棱镜51的出射光对准。
[0025]
具体的，本实施例中，所述分束器10为10:90分束器。纳米电动位移台9是个三轴位移台，沿空间三维方向移动，现有技术中出现了很多三维位移台，均可用于本发明；初始时通过位移台的移动使物镜7中心和石墨烯谐振器8中心对准。驱动激光源采用633nm单模连续光激光器。633nm的单模光纤和光纤准直器，把激光耦合进自由空间光路之中。激光器的激光功率为35mw。白色led作为ccd成像的照明光源；
[0026]
光路中的半波片固定在旋转安装座上，转动波片，利用激光的偏振特性，可以便捷调节波片后续光路的激光强度。
[0027]
高反镜可以方便改变光路方向，以减小整个系统的占用面积。
[0028]
第一偏振分束棱镜51利用其偏振分束的特性改变光路方向，并且使白色辅助照明光源轻松的耦合入光路之中。
[0029]
第二偏振分束棱镜52和四分之一波片6构成光学隔离器，保证带有偏振特性的激光不会沿着入射光路返回，以便于进行成像与光电探测提取石墨烯谐振子的谐振模式。
[0030]
激光通过物镜聚焦在石墨烯谐振子8上，形成1um大小的光斑，此处我们选择放大倍数为100倍，工作距离为0.9mm，数值孔径(na)为0.8的物镜。
[0031]
石墨烯谐振子8垂直固定在电动纳米位移台上，如图1所示。石墨烯谐振子8为石墨烯薄膜悬浮于5um硅衬底芯片圆孔所构成。
[0032]
电动纳米位移台用于负载样品精确运动，步距为100nm，可移动范围为5mm，来保证激光光斑准确聚焦到石墨烯机械振子上的目标位置。
[0033]
光束首次通过物镜后，石墨烯谐振子表面反射的光束和石墨烯下方硅衬底芯片表面反射的光束，发生了干涉，聚焦的激光对石墨烯产生了辐射压力，如图2所示。该干涉光束再次经过物镜后，被偏振分束棱镜改变光路方向，照射在90:10的光学分束器上。
[0034]
90:10的光学分束器，将光学谐振腔反射的激光光束分为两束，一束用于成像；另一束则用于光电探测器，光电探测器会把光学信号转换为电学信号。此处选择响应率为0.3a/w，覆盖633nm的自由空间光光电探测器。
[0035]
频谱分析仪将电学信号处理，得到石墨烯谐振子各个模式的振动信息，如图3，(a)
图、(b)图为测试样品光镜和电镜示意图，(c)图为悬浮石墨烯谐振子测量频谱图。此处图3(c)因频谱范围的选择会显示不同范围的振动信息，仅为示例，因根据具体实验要求选择合适的频谱范围。如果得不到类似的振动信息，则应当检查：1.石墨烯谐振子的制备是否成功；2.激光光斑是否打在石墨烯谐振子上的正确位置；3.系统噪声是否将谐振模式信息淹没。
[0036]
调节光路中半波片和四分之一波片，使聚焦在悬浮石墨烯上的激光功率从300uw平稳变化到6.3mw，在功率变化的这一过程中，以合适的功率间隔划分，重复记录各功率情况下频谱的数据以及图像信息，将多组类似图3的结果数据整合绘图，观测频谱中谐振模式的的变化。如图4所示，在增大入射光功率的情况下，石墨烯谐振子的谐振模式出现了变化：出现明显的谐振峰，谐振峰线宽逐渐减小，峰值逐渐增大。这一过程声子耗散逐渐减小至零，声子表现出明显的阈值效应，即声子出现激射现象。
[0037]
驱动激光源1的泵浦激光同时用于激光干涉测量谐振子振动模式，激光以自由空间光的形式通过物镜聚焦照射在石墨烯谐振子8表面，石墨烯谐振子8与硅衬底芯片之间形成光学谐振腔，随着石墨烯谐振子8的振动，光学谐振腔反射的激光光强被同步调制，通过光电探测器转换为电信号再经频谱分析仪即可提取出石墨烯谐振子的谐振模式。
[0038]
本实施例还提供一种上述基于石墨烯谐振子的声子激射器的工作方法，其为：驱动激光源1发出激光，经过第一光纤耦合器21准直收集、第二光纤耦合器22再准直后，平行进入第一半波片31，第一半波片31的出射光被该半波片改变偏振后，经第一高反镜41改变光路方向，使激光垂直入射到第一偏振分束棱镜51，第一偏振分束棱镜51将具有偏振方向的激光反射，使第一偏振分束棱镜51的出射光垂直经第二半波片32中心，被第二半波片32改变偏振态的激光，进入第二偏振分束棱镜52，此时激光透过第二偏振分束棱镜52，并经四分之一波片6改变偏振态，四分之一波片6的出射光经过物镜7聚焦为1μm光斑后，照射纳米电动位移台9上垂直固定的石墨烯谐振子8，石墨烯谐振子8反射的激光经物镜7收集、被四分之一波片6再次改变偏振态后，第二次经过第二偏振分束棱镜52，第二偏振分束棱镜52反射此偏振的激光，使该激光进入分束器10，分束器10对激光光束进行分束，一束进入ccd相机用于成像，另一束经第二高反镜42改变光路方向，激光经过滤波片12过滤后，保证与驱动激光源1同波长的激光进入光电探测器13，光电探测器13将接受的光信号转换为电信号，该电信号经频谱分析仪14提取石墨烯谐振子8的谐振模式，所有的半波片和四分之一波片也用于调节光路中各部分激光的功率；纳米电动位移台9用于调节石墨烯谐振子的位置，使得激光光斑能够准确聚焦到石墨烯谐振子的目标位置。
[0039]
进一步的，将波长为633nm的驱动连续光激光源聚焦到光学谐振腔上，再利用90:10分束器，将石墨烯谐振子8反射的激光光束分为两束，其中一束用于成像，另一束则被光电探测器转换为电信号，通过频谱分析后经频谱分析仪提取石墨烯机械振子的谐振模式，获得谐振子振动的频域信息；随着激光功率增加，声子出现了明显的阈值效应，声子发生激射，成为一个声子激射器；保证装置正常运行，能观测到石墨烯谐振子8的机械振动模式后，旋转光路中的半波片和四分之一波片，来改变聚焦在石墨烯薄膜上的激光功率；在不损坏石墨烯薄膜的前提下，增加入射激光的光功率，根据频谱信息中振动模式的幅值变化判断声子激射器的实现情况。
[0040]
其他不同二维材料的谐振子实施例均可实现声子激射。
[0041]
石墨烯谐振子，具有材料制备简单、质量小、物理性能稳定、以及品质因子高的特性。涉及到的石墨烯材料，是通过机械剥离块状石墨得到的层状石墨烯样品。再利用二维材料转移平台，将机械剥离获得的少层石墨烯样品转移到具有微结构的硅衬底芯片上悬浮，得到所需石墨烯谐振子。此外，转移其他二维材料，例如mos2、wse2制备的谐振子，也可与激光、微电路耦合制备成光机械、微机电系统，具有广泛的研究和应用前景。
[0042]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。