Автореферат (Управляемое демпфирование колебаний высокодобротных механических резонаторов)

На правах рукописиДмитриев Артемий ВладимировичУправляемое демпфирование колебанийвысокодобротных механических резонаторов01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физикиАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2014Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультета Московскогогосударственного университета им. М. В. Ломоносова.д.ф.-м.н., профессорНаучный руководитель:Митрофанов Валерий ПавловичБулычев Георгий Гаврилович,Официальные оппоненты:д.ф.-м.н., профессор Московского государственногоуниверситета информационных технологий, радио­техники и электроники;Манукин Анатолий Борисович,д.ф.-м.н., профессор, зав.

лаб. института физикиЗемли им. О. Ю. Шмидта РАН.ИнститутВедущая организация:радиотехникииэлектроникиим.В. А. Котельникова РАНЗащита состоится 11 декабря 2014 г. в 15:30 на заседании диссертационного советаД 501.001.66 на базе Московского государственного университета имени М. В. Ломоно­сова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, Физический факультет МГУ,ауд.

СФА.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ им. М. В. Ломоносова ина сайте phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66/.Автореферат разослан «»2014 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.66,к.ф.-м.н.И. Н. КарташовОбщая характеристика работыАктуальность темы исследованияУправляемое демпфирование высокодобротных механических мод колебаний физиче­ских систем используется в различных областях физики и техники. В частности можно отме­тить управление добротностью рабочей механической моды кантилеверов в атомно-силовоймикроскопии для повышения скорости сканирования в режиме амплитудной модуляции [1];управление добротностью детектирующей моды микроэлектромеханических гироскопов дляувеличения их чувствительности [2]; компенсацию температурной зависимости добротностии резонансной частоты в механических устройствах, работающих в широком диапазоне тем­ператур [3]; создание фононных лазеров [4].

Особо можно выделить создание систем холод­ного демпфирования колебаний механических осцилляторов, не вносящих дополнительныхшумов в демпфируемый осциллятор. Таким образом удается значительно снизить эффектив­ную шумовую температуру механического осциллятора. В качестве примеров можно приве­сти демпфирование струнных мод колебаний подвесов пробных масс интерферометрическихгравитационно-волновых детекторов [5]; холодное демпфирование колебаний зеркал лазер­ных интерферометров [6]; различные реализации холодного демпфирования колебаний ме­ханических осцилляторов в микро- и наноэлектромеханических системах (МЭМС и НЭМС)для их охлаждения вплоть до состояний, близких к основному квантовому [7, 8] и приготов­ления сжатых состояний МЭМС-осцилляторов [9].В основе принципа работы существующих систем управляемого демпфирования, какправило, лежит силовое воздействие на демпфируемый осциллятор на его резонансной ча­стоте со стороны некоторой демпфирующей подсистемы.

Это воздействие эквивалентно вне­сению в осциллятор дополнительной жесткости и дополнительного затухания, величины ко­торых зависят от амплитуды и фазы демпфирующей силы. Такие системы можно разделитьна две группы:1. Системы, основанные на использовании цепей обратных связей. В них сигнал сенсора,регистрирующего колебания осциллятора, подается на актюатор силового воздействиячерез цепь обратной связи (она может быть пассивной или активной), в которой выпол­няется соответствующее преобразование сигнала.2. Системы, принцип действия которых основан на обратном динамическом влиянии сен­сора на демпфируемый осциллятор.

В результате такого воздействия в осцилляторвносятся дополнительные жесткость и затухание, знак и величина которых зависят от3параметров сенсора и режима его работы.С точки зрения практической реализации основное различие между системами первогои второго типов заключается в том, что в первых сенсор и актюатор силового воздействия,вообще говоря, разделены физически, и механизмы их взаимодействия с демпфируемымосциллятором могут иметь различную физическую природу. В системах же второго типа дляизмерения динамических характеристик и оказания силового воздействия на демпфируемыйосциллятор используется одно и то же взаимодействие, сенсор и актюатор в таких системахсовмещены.Среди других известных реализаций систем управляемого демпфирования можно от­метить непосредственное изменение величины угла потерь в материале упругого элементадемпфируемого осциллятора, — например, с помощью лазерной накачки гетероперехода вполупроводниковых пьезоэлектрических кантилеверах [10].В данной работе предложены, проанализированы и реализованы схемы управляемогодемпфирования колебаний в двух различных высокодобротных механических системах.Цель диссертационной работы1.

Разработка и экспериментальная реализация системы управляемого демпфирования наоснове обратной связи высокодобротных струнных мод колебаний кварцевых подвесовпробных масс лазерных интерферометрических гравитационно-волновых детекторов.2. Разработка и экспериментальная реализация системы демпфирования колебаний крем­ниевых дисковых резонаторов, основанной на обратном динамическом влиянии емкост­ного сенсора, регистрирующего колебания.Задачи диссертационной работы1.

Разработка сенсора и актюатора для системы управляемого демпфирования струнныхмод колебаний кварцевых подвесов и экспериментальная реализация такой системы.2. Исследование акустических мод колебаний с большими значениями углового индексав кремниевых дисковых резонаторах.3.

Разработка и экспериментальная реализация схемы управляемого демпфирования из­гибных мод колебаний в кремниевых дисковых резонаторах, основанной на обратномвлиянии емкостного сенсора с увеличенной эффективностью преобразования механиче­ских колебаний в электрический сигнал.4Практическая значимостьКлючевым элементом подвесов пробных масс интерферометрических гравитационно­волновых детекторов второго поколения (например, Advanced LIGO) являются нити из плав­леного кварца. Малые собственные потери в плавленом кварце и возможность сварки кварце­вой пробной массы с нитями подвеса в монолитную конструкцию позволяют добиться крайнемалой величины механического затухания в подвесах и, в соответствии с флуктуационно-дис­сипационной теоремой, низкого уровня их теплового шума [11].

Однако большое (несколькосуток) время затухания колебаний в струнных модах колебаний этих нитей, а также воз­можный переход системы в режим параметрической нестабильности при большой мощностиоптической накачки делают необходимым демпфирование этих мод колебаний. Применениетрадиционных схем демпфирования для такого специфического объекта, как нить из плав­леного кварца, затруднено ввиду трудности осуществления эффективного бесконтактноговзаимодействия тонкой оптически прозрачной диэлектрической нити с электрической, опти­ческой или магнитной демпфирующей системой.

Таким образом, для осуществления эффек­тивного демпфирования струнных мод колебаний таких нитей требуется разработка системдемпфирования со специальными сенсорами и актюаторами.Другая система демпфирования, разработанная и экспериментально реализованная вданной работе, предназначена для демпфирования колебаний в дисковых резонаторах, из­готовленных из монокристаллического кремния. Детальное исследование структуры мод ко­лебаний дисковых резонаторов с большими значениями углового индекса и потерь в такихмодах, также составляющее часть данной работы, было выполнено в рамках исследований посозданию интерферометрических гравитационно-волновых детекторов третьего поколения.В настоящий момент наиболее перспективным материалом для изготовления пробных масси их подвесов в таких детекторах считается монокристаллический кремний [12], при этомпредполагается, что подвесы будут представлять собой тонкие полоски из монокристалличе­ского кремния.

Для проектирования таких подвесов необходимы исследования механическойдиссипации в тонких кремниевых полосках. Для этих исследований используются моды ко­лебаний дисковых резонаторов с большими значениями углового индекса, поскольку в такихмодах колебания локализованы в узком слое, прилегающем к боковой поверхности диска,что позволяет уменьшить влияние потерь в креплении резонатора, если оно осуществляетсяв центре диска. Кроме того, акустические моды, образованные поверхностными акустиче­скими волнами, и моды шепчущей галереи колебаний дисковых резонаторов с большимизначениями углового индекса имеют перспективы применения в телекоммуникациях (в каче­стве фильтров), как био- и химические сенсоры вследствие потенциально высоких значений5добротности таких мод.Научная новизна1.

Впервые разработана и экспериментально реализована система управляемого демпфи­рования струнных мод колебаний кварцевой нити с использованием оптического сен­сора и электростатического актюатора, работающего на основе взаимодействия управ­ляющего электрического поля с локально нанесенным на поверхность нити электриче­ским зарядом. Продемонстрировано управление добротностью струнных мод колебанийнити из плавленого кварца (макета подвеса пробной массы гравитационно-волновогодетектора) при помощи этой системы в диапазоне от 1,2 × 107 до 2 × 104 .2. Впервые теоретически изучена структура мод колебаний с большими значениями угло­вого индекса в акустических дисковых резонаторах со сравнимыми величинами толщи­ны и диаметра, получены дисперсионные кривые и распределения амплитуд смещения.Результаты подтверждены экспериментально для мод квазирэлеевского, квазилэмбов­ского и квазиклинового типов, а также мод шепчущей галереи.3.

Впервые предложена, проанализирована и экспериментально реализована трехмодоваясистема демпфирования механических колебаний, в которой механический осцилляторвзаимодействует с двумя связанными радиочастотными электрическими колебатель­ными контурами. Осуществлено демпфирование изгибных мод колебаний дисковогорезонатора из монокристаллического кремния с использованием этой системы.Положения, выносимые на защиту1. Использование специально разработанного оптического сенсора и электростатическогоактюатора, осуществляющего силовое воздействие на электрически заряженный уча­сток поверхности кварцевой нити подвеса пробной массы гравитационно-волнового де­тектора, позволяет осуществить управляемое демпфирование струнной моды колеба­ний этой нити в диапазоне значений добротности от 1,2 × 107 до 2 × 104 .2.