研究目的
研究光热激励光纤法布里-珀罗共振探针中,夹持式圆形石墨烯振膜的共振频率行为对光学-机械因素(包括膜片特性、激光激励参数和薄膜边界条件)的依赖性。
研究成果
采用夹持圆形石墨烯膜的 光热激励法布里-珀罗谐振探针研究表明:结构参数(半径与厚度)、预应力、激光参数及边界条件对谐振频率具有显著影响。通过环境温度可线性调控预应力(比例系数14.2 MPa/K),从而在10?至10? Pa范围内提升线性度。激光输出功率与光斑半径会影响温度分布与谐振频率,二者在有限范围内可实现线性近似。将存在缺陷的圆形膜转化为双端夹持梁结构,能有效改善振动模式与品质因数以缓解边界缺陷问题。未来研究需优化光机参数与边界条件的平衡关系,以提升谐振器性能。
研究不足
该模拟忽略了毛细基底效应并假设膜厚均匀,从而在不使用COMSOL中RF??榈那榭鱿录蚧宋障凳募扑?。这可能会影响非均匀厚度情况下的准确性。研究是在真空条件下进行的,限制了其在具有空气阻尼的真实环境中的适用性。注意到了诸如石墨烯转移不完美导致边界缺陷等制造挑战,但在模拟中未完全解决。
1:实验设计与方法选择:
本研究采用COMSOL Multiphysics 5.3a仿真软件对真空条件下的夹持式圆形石墨烯薄膜进行建模。通过耦合"固体力学"??椋ㄓ糜诒湫未校┖?#34;固体传热"模块(用于热效应分析),研究光热驱动与共振特性。采用"Swept mesh"进行厚度方向上的单元分布,包含"稳态研究"和"特征频率研究"以确定共振行为。
2:3a仿真软件对真空条件下的夹持式圆形石墨烯薄膜进行建模。通过耦合"固体力学"模块(用于变形传感)和"固体传热"??椋ㄓ糜谌刃вΨ治觯?,研究光热驱动与共振特性。采用"Swept mesh"进行厚度方向上的单元分布,包含"稳态研究"和"特征频率研究"以确定共振行为。 样本选择与数据来源:
2. 样本选择与数据来源:模拟结构为夹持式圆形石墨烯薄膜,参数包括直径(50微米)、厚度(10层时为3.35纳米)、密度(2208千克/立方米)、杨氏模量(1.1太帕)、泊松比(0.41)和热导率(5300瓦/(米·开尔文))。通过半径(10-30微米)、厚度(0.335-3.35纳米)、预应力(103至101?帕)、激光输出功率(1-10毫瓦)和光斑半径(5-25微米)的参数扫描生成数据。
3:35纳米)、密度(2208千克/立方米)、杨氏模量(1太帕)、泊松比(41)和热导率(5300瓦/(米·开尔文))。通过半径(10-30微米)、厚度(335-35纳米)、预应力(103至101?帕)、激光输出功率(1-10毫瓦)和光斑半径(5-25微米)的参数扫描生成数据。 实验设备与材料清单:
3. 实验设备与材料清单:装置包含光纤法布里-珀罗谐振探针(带石墨烯振膜)、分布式反馈(DFB)激光器S(波长1550.12纳米)、电光调制器(EOM)、锁相放大器(HL2FI)、掺铒光纤放大器(EDFA)、另一台DFB激光器R(波长1551.72纳米)、2×1耦合器、环形器、光学滤波器和带宽200兆赫兹/转换增益1.4×10?伏/瓦的光电探测器(PD)。使用光谱分析仪(AQ6370C,横河电机)确认腔长。
4:12纳米)、电光调制器(EOM)、锁相放大器(HL2FI)、掺铒光纤放大器(EDFA)、另一台DFB激光器R(波长72纳米)、2×1耦合器、环形器、光学滤波器和带宽200兆赫兹/转换增益4×10?伏/瓦的光电探测器(PD)。使用光谱分析仪(AQ6370C,横河电机)确认腔长。 实验流程与操作步骤:
4. 实验流程与操作步骤:通过EOM调制激光器S对石墨烯薄膜施加热激励,经放大的信号通过2×1耦合器耦合后由环形器传输至F-P腔。激光器R的检测信号经滤波后通过PD送入锁相放大器进行共振信号处理。仿真中基于吸收热量方程设置高斯分布热源,分析不同参数下的温度与共振频率变化。
5:数据分析方法:
利用COMSOL仿真输出数据进行曲线拟合(如线性/多项式拟合),评估参数间关系(如温度-半径、频率-预应力)。通过计算相关系数和相对误差评估拟合质量。
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Optical Spectrum Analyzer
AQ6370C
Yokogawa Electric Corporation
Used to confirm the initial cavity length of the F-P resonant probe.
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Simulation Software
COMSOL Multiphysics 5.3a
COMSOL
Used for simulating the opto-thermal and mechanical behaviors of the graphene membrane.
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Distributed Feedback Laser
DFB Laser S
Used for opto-thermal excitation of the graphene membrane.
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Electro-Optic Modulator
EOM
Modulates the laser S to impose thermal excitation.
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Lock-in Amplifier
HL2FI
Used to generate cosine wave modulation and process resonance signals.
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Erbium Doped Fiber Amplifier
EDFA
Compensates amplitude attenuation of the modulated laser S.
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Distributed Feedback Laser
DFB Laser R
Used for detection of membrane vibration.
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Coupler
2×1 Coupler
Optically couples excitation and detection laser signals.
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Circulator
Delivers coupled signals to the F-P cavity.
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Optical Filter
Filters out excitation light to reserve detection signal.
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Photoelectric Detector
PD
Beijing Conquer Optics Science & Technology Co., Ltd
Converts optical detection signals to electrical signals for processing.
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