技术摘要：
本发明属于微波和光学领域，为解决极低温下纳米谐振器振动模式难以测量的问题，公开了一种测量极低温下纳米谐振器振动模式的装置方法及柔性波导，纳米谐振器安装在PCB电路板上，固定在低温恒温器内的五轴位移器上，并通过柔性波导和同轴线与激励电源和频率测试装置通信  全部
背景技术：
目前，对纳米谐振器的研究主要集中在常温。纳米谐振器的功率很小，热噪声会对 谐振器性质的测量产生很大影响。因此，有人尝试在低温下测量纳米谐振器的性质。然而， 该设想遇到了很多问题。 第一，在常温下，一般使用同轴线传输激励信号和振动信号，该同轴线为了满足阻 抗匹配，直径在数个毫米，密度大，使得移动纳米谐振器需要较大的功率，例如使用步进电 机。在低温下，如果移动连接有同轴线的纳米谐振器，使用的能量会使低温恒温器迅速升 温，破坏低温环境。 第二，在常温下，光路调整余地大，可以同时改变激光光路和纳米谐振器的位置使 激光以需要的角度照射在纳米谐振器上。在低温恒温器中，为了尽量减少干扰光进入恒温 腔，破坏低温环境，恒温腔的光学窗口只有一个很小的光阑。激光光路调整范围十分有限， 主要靠移动纳米谐振器，才能满足入射光条件。 第三，在常温下组装好测量系统后，降低至实验温度后，由于温度变化引起的形变 可能使纳米谐振器偏离原来的位置，如果不能改变恒温腔内纳米谐振器的位置，影响测量 精度。 因此，现有技术难以测量极低温下纳米谐振器的振动模式。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决极低温下测量纳米谐振器振动模式难以测量的问题。技术 方案如下： 一种测量极低温下纳米谐振器振动模式的装置，包括：激光器、调节光路、半透半 反镜、光强测量装置、低温恒温器、五轴位移器、控制器、纳米谐振器、PCB电路板、若干柔性 波导、同轴线、激励电源、频率测量装置、控制器、以及若干导线：其中：所述的低温恒温器包 括恒温腔，恒温腔内部以及外部均设置若干个微波传输接口；所述的五轴位移器、PCB电路 板、纳米谐振器均置于恒温腔中；PCB电路板设置于五轴位移器上；纳米谐振器置于PCB电路 板上，并与PCB电路板通过导线连接，用于传输激励信号和振动信号；PCB电路板与恒温腔内 部的微波传输接口之间通过柔性波导连接；恒温腔外部的微波传输接口与所述的激励电源 以及频率测量装置之间均通过同轴线连接；五轴位移器与恒温腔外部的控制器通过导线相 连，用于传输控制信号；激光器发出的激光经调节光路和半透半反镜入射到恒温腔中，从纳 米谐振器反射的光透过半透半反镜入射到光强测量装置；所述的激励电源、同轴线、恒温腔 外部的微波传输接口、恒温腔内部的微波传输接口、柔性波导、PCB电路板和纳米谐振器依 次连接构成闭合回路；纳米谐振器、柔性波导、恒温腔内部的微波传输接口、恒温腔外部的 微波传输接口、同轴线、频率测量装置依次连接构成闭合回路。 6 CN 111610007 A 说　明　书 2/8 页 上述装置可以实现测量极低温下纳米谐振器振动模式的工作原理是： 将恒温腔内的纳米谐振器与激励电源、频率测量装置连接，实现在极低温下激发 纳米谐振器振动，及其共振频率的测量。激光经调节光路，以合适的状态入射到恒温腔内。 具有三个平移轴以及两个旋转轴的五轴位移器使激光够精确地以需要的方式照射到纳米 谐振器上。通过恒温腔、柔性波导有效地降低了纳米谐振器的位移驱动功率，有效的保证了 低温环境。使激光照射到纳米谐振器不同部位均匀分布的若干个点上，并使用光强测量装 置测量各点的反射光强，就可以绘制出纳米谐振器的振动模式。 优选方案：所述的调节光路包括：可调衰减片、单模光纤、双凸透镜聚焦系统；激光 器发出的激光经过衰减片衰减后，再经过单模光纤选模，最后通过双凸透镜聚焦系统，激光 的束腰位于恒温腔内的纳米谐振器附近。 优选地，在五轴位移器上预留螺孔，在PCB电路板对应位置也留有螺孔，用螺丝将 PCB电路板固定在五轴位移器上；五轴位移器带动PCB电路板和纳米谐振器实现俯仰、偏转 和平移。所选用的五轴位移器包括三个平移运动轴与两个旋转轴。 上述技术方案的柔性波导包括柔性微带线和分别设置于柔性微带线两端的接头； 所述的柔性微带线为三层复合结构，依次由金属导体带层、柔性介质层、金属接地 层组成；柔性介质层位于金属导体带层和金属接地层中间；金属接地层宽度大于金属导体 带层宽度； 金属导体带层与接头的阳极相连，金属接地层与接头的阴极相连； 金属导体带层的宽度与柔性微带线的特征阻抗满足： 其中h是柔性介质层厚度，εeff和w’定义如下： 其中w是金属导体带层宽度，t是金属导体带层厚度，εr是柔性介质层的相对介电 常数。 金属接地层的宽度为金属导体带层宽度的5到10倍以上。 还可以使用另一种柔性波导，所述的柔性波导包括共面波导和分别设置于共面波 导两端的接头； 所述的共面波导由柔性介质层、金属导体带层、第一金属接地层、第二金属接地层 组成； 其中第一金属接地层、金属导体带层、第二金属接地层以共面的方式铺设与柔性 7 CN 111610007 A 说　明　书 3/8 页 介质层上；第一金属接地层与第二金属接地层对称分布于金属导体带层两侧；金属导体带 层与接头的阳极相连，第一金属接地层与第二金属接地层都与接头的阴极相连； 金属导体带层的宽度、金属导体带层与第一金属接地层之间缝隙的宽度、共面波 导的特征阻抗之间满足： 式中K是第一类完全椭圆积分，εeff、k、k’、kl和kl’定义如下： 其中s是金属导体带层的宽度，w是金属导体带层与第一金属接地层之间缝隙的宽 度，h是柔性介质层厚度，εr是柔性介质层的相对介电常数。 接地带的宽度至少为1mm。 本申请还提供了一种测量低温恒温器中纳米谐振器振动模式的方法，其测量步骤 为： 1)将上述测量纳米谐振器振动装置整体连接好； 2)打开激光器，调节激光器使其强度和束腰位置； 3)常温下将纳米谐振器置于激光束腰附近； 4)关闭激光器； 5)将恒温腔置于遮光环境，降低恒温腔的温度至实验温度； 6)使用激励电源让纳米谐振器振动，并使用频率测量装置测量其谐振频率； 7)打开激光器，并使用五轴位移器移动纳米谐振器，使激光照射到纳米谐振器不 同部位均匀分布的若干个点上，并使用测量光路测量各点的反射光强，绘制出纳米谐振器 的振动模式。 上述测量极低温下纳米谐振器振动模式的装置以及方法与现有技术相比的优点 如下： 1、能够同时测量极低温下纳米谐振器振动频率和模式； 2、能够在恒温腔中准确调整纳米谐振器的位置，消除因温度变化导致形变引起的 纳米谐振器偏离预定位置的情况，减少测量误差； 8 CN 111610007 A 说　明　书 4/8 页 3、整个测量过程中不需要调整激光光路，提高了光源的稳定性，提高了测量精度； 4、整个测量过程中不需要调整激光光路，可以最大程度减小恒温腔的光学窗口上 的光阑，减少干扰光，提高测量精度。 附图说明 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。 图1为一个测量极低温下纳米谐振器振动模式的装置的示意图； 图2为一种激光调节光路示意图； 图3为一种在低温恒温器中使用的柔性波导示意图； 图4为该柔性波导传输线部分剖面图； 图5为一种在低温恒温器中使用的另一种柔性波导示意图； 图6为该柔性波导传输线部分剖面图； 图7为20cm的柔性共面波导、柔性微带线、同轴线在860mK温度下的S11-频率曲线 图； 图8为20cm的柔性共面波导、柔性微带线、同轴线在860mK温度下的S12-频率曲线 图； 图9为20cm的柔性共面波导、柔性微带线、同轴线在860mK温度下的S21-频率曲线 图； 图10为20cm的柔性共面波导、柔性微带线、同轴线在860mK温度下的S22-频率曲线 图； 图11为20cm的柔性共面波导在860mK温度下五轴位移台位于不同位置时的S11-频 率曲线图； 图12为20cm的柔性共面波导在860mK温度下五轴位移台位于不同位置时的S12-频 率曲线图； 图13为20cm的柔性共面波导在860mK温度下五轴位移台位于不同位置时的S21-频 率曲线图； 图14为20cm的柔性共面波导在860mK温度下五轴位移台位于不同位置时的S22-频 率曲线图。 其中： 1为激光器、2为调节光路、3为半透半反镜、4为光强测量装置、5为低温恒温器、6为 五轴位移器、7为五轴位移器的控制器、8为纳米谐振器、9为PCB电路板、10为柔性波导、11为 同轴线、12为激励电源、13为频率测量装置；14为可调衰减片、15为单模光纤、16为双凸透镜 聚焦系统；17为接头、18为柔性微带线、19为金属导体带层、20为柔性介质层、21为金属接地 层；22为柔性共面波导、23为第一金属接地层、24为第二金属接地层。