NIST 创建频闪灯来测试 5G 谐振器
每部手机内部都有一个微型机械心脏，每秒跳动数十亿次。这些微机械谐振器在手机通信中起着至关重要的作用。受到无线电波中无线电频率的干扰，这些谐振器选择了正确的频率来在移动设备之间传输和接收信号。随着这些谐振器的重要性日益增加，科学家们需要一种可靠且有效的方法来确保这些设备正常工作。这最好通过仔细研究谐振器产生的声波来实现。
现在，美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的研究人员开发了一种仪器，可以在很宽的频率范围内对这些声波进行成像，并制作出具有前所未有细节的“电影”。研究人员测量了高达 12 GHz（GHz，或每秒数十亿个周期）的声学振动，并且可能能够将这些测量扩展到 25 GHz，为 5G 通信以及未来可能强大的量子应用提供必要的频率覆盖。信息。随着 5G 网络主导无线通信，产生更微小的声波，测量这些声学振动的挑战可能会增加。
新的 NIST 仪器依靠称为光学干涉仪的设备捕获这些波。该干涉仪的照明源通常是稳定的激光束，在本例中是每秒脉冲 5000 万次的激光，这比所测量的振动要慢得多。
激光干涉仪比较沿不同路径传播的两个激光脉冲。一个脉冲穿过显微镜，显微镜将激光聚焦在振动的微机械谐振器上，然后反射回来。另一个脉冲充当参考，沿着不断调整的路径行进，使其长度在第一个脉冲行进距离的一微米（百万分之一米）内。当两个脉冲相遇时，来自每个脉冲的光波重叠，形成干涉图案——一组暗条纹和亮条纹，其中波相互抵消或加强。随着随后的激光脉冲进入干涉仪，干涉图案随着微谐振器的上下振动而变化。从条纹的变化模式，研究人员可以测量微机械谐振器上激光光斑位置的振动高度（幅度）和相位。
NIST 研究员 Jason Gorman 和他的同事特意选择了一种参考激光，其脉冲比微机械谐振器的振动频率慢 20 到 250 倍。该策略使照亮谐振器的激光脉冲实际上可以减慢声学振动，类似于频闪灯似乎可以减慢夜总会舞者的速度。减速会将在 GHz 频率下振荡的声学振动转换为兆赫兹（MHz，每秒数百万个周期），这一点很重要，因为 NIST 团队使用的光探测器在这些较低频率下运行更精确，噪音更小。
Gorman 说：“移动到较低频率可以消除通常在微波频率下发现的通信信号的干扰，并允许我们使用具有较低电噪声的光电探测器。”
每个脉冲仅持续 120 飞秒（万亿分之一秒），提供有关振动的高度精确的瞬间信息。激光扫描整个微机械谐振器，以便可以在振动设备的整个表面上对振动的幅度和相位进行采样，从而在很宽的微波频率范围内产生高分辨率图像。通过结合这些测量值，对许多样本进行平均，研究人员可以创建微谐振器振动模式的 3D 电影。研究中使用了两种类型的微谐振器；一个尺寸为 12 微米（百万分之一米）乘 65 微米；另一个边长 75 微米——大约是一根头发的宽度。
图像和电影不仅可以揭示微机械谐振器是否按预期运行，它们还可以指示问题区域，例如声能从谐振器泄漏的地方。泄漏使谐振器的效率降低，并导致量子声学系统中的信息丢失。通过查明问题区域，该技术为科学家提供了改进谐振器设计所需的信息。
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