[发明专利]一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置

说明书

本发明属于光学器件领域，为提高纳米谐振器振动模式的稳定性及测量精度，公开了一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置，所述纳米谐振器设置于所述真空腔内，所述真空腔置于以步进电机驱动的所述三轴位移台上，所述真空腔的射频端口通过柔性波导与外界激励连接，激励中的直流电压源使二维材料薄膜产生形变，正弦波信号发生器产生的周期性信号使纳米谐振器发生周期性振动，激光入射到器件上，反射的周期性信号被反射光路中的光电探测器所接收，通过Labview程序控制步进电机移动位移台对器件不同位置的振动状态进行表征实现对整个器件的振动模式可视化。本发明提高了纳米谐振器振动模式的稳定性及测量精度。

技术领域

本发明涉及了光学和纳米机械的交叉领域，具体是一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置。

背景技术

纳米谐振器的尺寸极小，腔体直径一般在几微米到几十微米不等，其中的二维材料的厚度更是可以达到几纳米，当外界的激励频率与其自然频率相同时会发生共振的现象，在不同阶的自然频率处其振动不同，探测其振动模式要求装置不仅静止状态下具有极高的灵敏度，可以分辨pm量级（10^-12m）的振动幅度，并且要求在垂直平面内能够以100nm左右分辨率的大范围的移动测量，这对于装置精度及稳定性要求很高。

目前探测纳米谐振器振动模式通常采用移动光束或者真空腔两种方案，第一种方案是将显微物镜至于高精度的位移台上，通过移动显微镜物镜达到对样品扫描的目的，此方案由于只需移动独立的显微物镜，对于装置的要求较低，但是其缺点也显而易见，显微物镜的调节会导致光轴与入射光束偏离，导致像差的产生，影响聚焦光斑的质量。第二种方案是通过移动整个真空腔来达到移动纳米谐振器的目的，由于真空腔本身自重较重，外加真空波纹管，外接同轴线的影响，总的负载可达几公斤，与位移台所配套的电动促动器负载相当，其最小位移增量在0.1~0.2μm，整套装置的价格较高。

发明内容

为了提高纳米谐振器振动模式的稳定性及测量精度，本发明实施例提供了一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置。

一种基于步进电机的纳米谐振器振动模式可视化装置，包括：探测光路、不锈钢真空腔、三轴位移台、位移台促动器、步进电机、步进电机驱动板、Arduino板、同步带、同步齿轮、射频柔性波导、同轴线、直流电压源、正弦波发生器和频谱分析仪、Labview程序；不锈钢真空腔上设置有窗口，探测光路中设置有光电探测器；所述位移台促动器安装于三轴位移台上，所述射频柔性波导被用于连接所述不锈钢真空腔的射频接头与直流电压源、正弦波发生器，所述频谱分析仪与探测光路中的光电探测器连接；探测光路出射的光束通过窗口垂直入射到待测样品表面，待测样品表面反射的光信号被光电探测器所接收，光电探测器后端连接频谱分析仪对光信号的频率进行分析测量；不锈钢真空腔位于三轴位移台上，位移台促动器通过同步齿轮、同步带与步进电机连接，所述步进电机的转动通过同步带、同步齿轮、位移台促动器转化为位移台的直线运动；步进电机通过步进电机驱动板和Arduino板与Labview程序进行通讯。

优选的，所述的探测光路主要包括具有固定偏振方向的激光器、中性密度滤光片、保偏单模光纤、半波片、光纤准直器、偏振分束立方、四分之一波片、显微物镜及若干反射镜，所述激光器发出的激光经过所述中性密度滤光片，能量衰减后经过所述光纤准直器与所述保偏单模光纤整形与扩束，扩束后的光束经过所述半波片以改变水平分量p波和垂直分量s波的能量占比，再经过所述偏振立方后使水平分量p波通过，而垂直分量s波的能量反射出光路，出射的p波量经过快轴方向与水平方向呈放置的所述四分之一波片，变为圆偏振光入射到所述显微物镜，聚焦后入射到待测器件上，所述显微物镜设置为无限远补正设计，反射光进入所述显微物镜后呈平行光出射，其仍然是圆偏振光，由于半波损失，其偏振方向与入射时相反，经四分之一波片后变为只有垂直分量s波的线偏振光，最后经过所述偏振分束立方反射到光电探测器中。