[发明专利]一种纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法

说明书

本发明公开了一种纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法，包括：步骤100：制备一纳米腔光机械谐振器，所述纳米腔光机械谐振器包括振子薄膜；步骤200：测量获得所述振子薄膜在不同温度下所对应的谐振频率；步骤300：将所述振子薄膜的谐振频率转化为热应力，并绘制所述振子薄膜的热应力与温度之间的关系曲线。该热应力测量方法用于测量纳米腔光机械谐振器中振子薄膜的热应力，具有测量精度高、可远距离测量、抗电磁干扰、体积小、重量轻、响应速度快、抗恶劣环境等优势。

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法。

背景技术

随着现代化技术发展，纳米机械谐振器近年来受到越来越多的关注。纳米机电系统(NEMS)因其体积小、重量轻、灵敏度高等优点，在物理、精密测量和生物参数传感等领域发挥着重要作用。在众多的纳米机械谐振器中，近年来最受到广泛关注的是基于二维材料的纳米机械谐振器，尤其是基于石墨烯的纳米机械谐振器。石墨烯除了具有优良的导电性和超高强度外，还表现出良好的导热性。正是由于这些原因，石墨烯成为制造纳米机械谐振器的理想候选材料。

如专利号为CN201710235221.0的中国专利中公开了一种石墨烯膜光纤法珀谐振器及其激振/拾振检测方法。该谐振器探头部分主要由石墨烯膜、插芯匹配套管、光纤插芯、光纤插芯和单模光纤构成。该方法采用基于激励DFB激光器、检测DFB激光器、电光调制器、掺铒光纤放大器、耦合器、环形器、光电探测器、锁相放大器和带通滤波器等搭建而成的光纤式干涉激振/拾振装置。所述锁相放大器输出扫频信号到电光调制器，并加载至激励DFB激光器以调制激励激光的光强呈周期性变化，调制后的激励激光经掺铒光纤放大器放大，与检测激光在耦合器中耦合，经过环形器照射至石墨烯膜光纤FP谐振器的石墨烯膜，使之产生受迫简谐振动，从而周期性改变FP腔的腔长。由于激励DFB激光器和检测DFB激光器的波长不同，利用带通滤波器可滤去激励激光，滤波后光电信号馈入光电探测器，利用锁相放大器进行信号采集，可提取石墨烯膜的振动频率，实现对石墨烯膜光纤FP谐振器的激振/拾振，进而可基于谐振频率变化获取被测量信息。

然而，石墨烯作为一种二维薄膜材料，不可避免的会受到应力的影响，膜应力对系统的影响较大，在很大程度上会影响光学和电子等元器件的性能，它不仅会直接导致膜的破裂和剥离，而且会损伤膜，从而破坏纳米机械谐振器。因此，有必要对石墨烯膜在系统中的应力进行研究。

目前，常见的测量应力的方法主要有基底曲率法、X射线衍射法、拉曼光谱法、纳米压痕法等。由于测量机理不同，适用于不同类型的基底-薄膜体系的检测，也分别存在一些难以克服的缺陷，比如：X 射线衍射法在检测和后续数据处理过程中比较繁琐、拉曼光谱法在应变模型构建上比较困难、纳米压痕法会对待测样品造成局部破损等。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种热应力测量方法，用于测量纳米腔光机械谐振器中振子薄膜的热应力，具有测量精度高、可远距离测量、抗电磁干扰、体积小、重量轻、响应速度快、抗恶劣环境等优势。

本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

一种纳米腔光机械谐振器的热应力测量方法，包括如下步骤：

步骤100：制备一纳米腔光机械谐振器，所述纳米腔光机械谐振器包括振子薄膜；

步骤200：测量获得所述振子薄膜在不同温度下所对应的谐振频率；

步骤300：将所述振子薄膜的谐振频率转化为热应力，并绘制所述振子薄膜的热应力与温度之间的关系曲线。

进一步地，在步骤100中，制备所述纳米腔光机械谐振器的步骤如下：

步骤110：取一段单模光纤和一段空芯光纤，将所述单模光纤的第二端面以及所述空芯光纤的第一端面切平；

步骤120：将所述单模光纤切平后的第二端面与所述空芯光纤切平后的第一端面熔接在一起；