Forskare har utvecklat en ny typ av optomekanisk enhet som använder en mikroskopisk kiselskiva för att begränsa optiska och mekaniska vågor. Den nya enheten är mycket anpassningsbar och kompatibel med kommersiella tillverkningsprocesser, vilket gör det till en praktisk lösning för att förbättra sensorer som detekterar kraft och rörelse.

Optomekaniska enheter använder ljus för att upptäcka rörelse. De kan användas som lågeffekt, effektiva byggstenar för accelerometrarna som upptäcker orienteringen och rörelsen på en smart telefon eller som får en bils krockkudde att sprida några sekunder efter en olycka. Forskare arbetar för att göra dessa enheter mindre och ännu mer känsliga för rörelser, krafter och vibrationer.

Att identifiera de minsta rörelserna kräver extremt höga interaktionsnivåer, eller koppling, mellan ljusvågor, som används för detektering, och de mekaniska vågorna som är knutna till rörelse. I tidskriften The Optical Society Optik Express , forskare från University of Campinas, Brasilien, rapportera att deras nya bullseye-diskdesign uppnår kopplingshastigheter som matchar de av de bästa labbaserade optomekaniska enheterna som rapporterats.

Medan de flesta toppmoderna optomekaniska enheter tillverkas med hjälp av utrustning som inte är allmänt tillgänglig, den nya bullseye-skivanordningen tillverkades i ett vanligt kommersiellt gjuteri med samma processer som används för att tillverka kompletterande metalloxid-halvledarflis (CMOS), som de som används i de flesta digitalkameror.

"Eftersom enheten tillverkades på ett kommersiellt CMOS -gjuteri, vilken grupp som helst i världen kan reproducera det, "sade Thiago P. Mayer Alegre, ledare för forskargruppen. "Om tusentals skapades, de skulle alla prestera på samma sätt eftersom vi gjorde dem motståndskraftiga mot gjuteriets tillverkningsprocesser. Det är också mycket billigare och snabbare att göra dessa typer av enheter på ett CMOS-gjuteri snarare än att använda specialiserade egna tillverkningstekniker. "

För samman ljus och rörelse

De flesta optomekaniska enheter använder samma mekanism för att begränsa både ljus och mekaniska vågor inuti ett material, där vågorna kan interagera. Dock, detta tillvägagångssätt kan begränsa prestanda för optomekaniska anordningar eftersom endast vissa material fungerar bra för att begränsa både lätt och mekanisk rörelse.

"När du har kopplat bort förvaringsreglerna för ljus och mekanik, du kan använda alla typer av material, "sa Alegre." Det är också möjligt att självständigt skräddarsy enheten för att arbeta med vissa ljusfrekvenser eller mekaniska vågfrekvenser. "

Forskarna skapade en kiselskiva 24 mikron bred som begränsar ljuset och de mekaniska vågorna med separata mekanismer. Ljuset begränsas av total inre reflektion, vilket får ljuset att studsa av skivans kant och färdas runt den yttre delen i en cirkulär ring. Forskarna lade till cirkulära lundar på skivan, ger det utseendet som en bullseye, för att lokalisera mekanisk rörelse till den yttre ringen, där det kan interagera med ljuset. Skivan stöds av en central piedestal som gör att disken kan flyttas.

"Radiella lundar har använts för att begränsa ljusvågor i andra enheter, men vi tog denna idé och applicerade den på mekaniska vågor, "sa Alegre." Vår optomekaniska enhet är den första som använder radiella lundar för att koppla ihop mekaniska och optiska vågor. "

Mångsidigheten hos bullseye -diskdesignen betyder att den kan användas för mer än att känna av rörelse. Till exempel, att göra skivan av ett lasermaterial kan skapa en laser med pulser eller effektnivåer som styrs av rörelse. Enheten kan också användas för att göra mycket liten och högfrekvent optisk modulator för telekommunikationsapplikationer.

Forskarna arbetar nu med att ytterligare förfina sin enhets design för att fungera ännu bättre med CMOS -gjuteriprocesser. Detta bör minska mängden ljus som förloras av disken och därmed förbättra den totala prestandan. De vill också göra enheten ännu mer praktisk genom att kombinera den optomekaniska skivan med en integrerad optisk vågledare som skulle ge ljus till och från enheten, allt i ett paket.