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弹力波的三个极性众所周知，在均质材料中传播的弹力波有三个极性，在特定弹性边界下，不同的模之间会发生复耦合与转换，这对弹力波的操纵产生了阻碍，因此，减少要考虑的模的数量，并使其解耦，对于亚波长厚度的板，我们只需考虑低频的三个零阶弹力波的模，比如对称的兰姆波模式(S0)，反对称的兰姆波模式(A0)，以及剪切水平模式(SH0)。要注意的是，在A0模式中面外位移占主导，可很容易地被垂直平板的激励起来。近些年，量子霍尔效应，量子自旋霍尔效应与量子谷霍尔效应与经典电磁，声学以及机械系统的类比成为了研究热点。在凝聚态物理领域中，弹性能量流的漩涡手性通过轨道角动量提供了一个新的自由度，可通过打破对称来实现。基于这个思想，在过去的几年中，已经有很多成功的工作说明了这一点。弹性系统，带隙可用不同的方式打开，比如引入质量和（或）刚度差，制造几何失措，改变局部应力场，或旋转特定部件。其中，离散的弹簧质量系统可作为一个多功能的平台来获得不同的拓扑相位。当前已有的弹力波拓扑隔振器的几何设计足以说明拓扑现象，然而，其不可更改的几何结构和相对窄的通带限制了弹力波主动控制的应用。图1.两种结构:(a)声子晶体板上的三棱柱，(b)声子晶体板上的Y-型棱柱，三棱柱顶点与中心之间的距离等于Y-型棱柱的臂长用声子晶体板来模拟量子谷霍尔效应要减轻这些问题，我们提出了一种薄的声子晶体板来模拟量子谷霍尔效应，声子晶体板由一块均值薄板以及其两面布置的棱柱构成，设计时，我们将传统的三棱柱优化为Y-型棱柱，如图1(b)。可简单的通过旋转Y-型棱柱来打破镜像对称。此处需要重点关注的是，改进的Y-型棱柱比三角形棱柱具有更宽的带隙，可满足我们的宽带设计需要。另外结构优化技术也用来获得最好的谷传输工作频率范围，为了获得更明显的宽带效应，我们使用了遗传算法进一步优化了声子晶体板的设置。图2.带有Y-型棱柱的声子晶体板。(a)整体结构；(b)单元晶格，带有两个Y-型棱柱；(c)第一个布里渊区和不可约布里渊区；(d)旋转角度u与带隙间的关系；(e)–(g)不同角度的色散关系图3.应对不同种类缺陷的拓扑保护的稳定性(a)无缺陷的；(b)Z-向弯曲；(c)空洞(d)乱序区。黑色和白色表示面外位移的最大值和最小值，箭头表示弹力波的传播方向试验搭建试件根据上文描述来制作，为了用试验方法验证仿真结果。不同直径的棱柱安装在铝板前边和后边的指定位置。测试实验中，我们使用了一台激振器(4809，B&K)，以特定的频率激励样件，激振器安装在样件背面，通过激振杆连接在铝板上。样件的面外振动速度由Polytec公司的扫描式激光测振仪(PolytecPSV-500)进行测试采集。试验搭建如图4所示。图4.试验搭建图基于对超胞中谷赝自旋边界态的分析，我们利用拓扑保护的传输特性，将I-型和II-型声子晶体板组合在一起来构建相应的界面，我们的目的是验证有缺陷的结构的拓扑稳定性，并设计相关试验（如图4）验证仿真结果。此处，我们设计了三种缺陷：(I)Z-向弯曲，且带有尖角，(II)空腔乱序区，图3(a)是无缺陷的直线波导区域，用于对比，仿真和试验结果说明了可实现弹力波的稳定传输。图3(b)–3(d)是带有不同缺陷的波导通道，表明在波导传输路径中即使存在弯曲，空洞和乱序区，弹力波仍可稳定地沿波导传播。这意味着这种结构由一种很强的缺陷和弯曲免疫能力，非常适用于弹力波控制设备。但要注意到，在试验中观察到的传输要低于在仿真中的传输，这是由于在仿真时没有考虑到材料阻尼，在补充材料中，我们对比了考虑材料阻尼和不考虑材料阻尼的仿真结果，可清晰的看出材料损耗因子和阻尼会导致传输下降，但其传输特性保持不变。总结展望在本文中，我们构建了一个可重构的声子晶体薄板，上面和下面规律布置了一些Y-型棱柱，通过旋转这些棱柱，通带结构的A0模式部分实现了狄拉克锥的打开与关闭，拓扑相变实现了弹力波的谷霍尔类比，基于这种拓扑性质，我们可以设计缺陷和弯曲免疫的波导，以减少缺陷和弯曲造成弹力波传输过程的能量损失，即可实现稳定的弹力波传输。试验和仿真均验证这种强大的稳定性。另外，我们也使用了遗传算法对结构进行了优化，以获取宽带效果并提升其实用性。图5.(a)可调拓扑弹力波开关或分束器，蓝色部分是可调区域，通过旋转该区域的Y-型棱柱可改变能量出口；(b)弹力波同时通过出口I和II传输出去；(c)，(d)弹力波通过出口I或II传输，仿真和试验结果都进行了验证

01介绍无损评估(NDE)和结构健康监测(SHM)对于航天飞行器（也包括其他很多工业结构）的结构部件安全工作的维护是非常重要的，且可以提供失效和剩余预期寿命的输入数据，避免灾难损失。在各种不同的损伤检测方法中，由于波在不同结构裂纹中的灵敏度以及在相对长距离和薄壁中的传播能力，基于NDE/SHM方法的导波(Lamb波)在板件结构的裂纹检测中表现出了巨大的潜力。在之前发表的文献中包括了Lamb波在金属和合成金属材料中的应用，可以更好地理解波的行为以及与不同类型结构不连续之间的相互作用，以及其行为与裂纹位置和严重程度之间的关联性。文献中提到的经研究的密集的Lamb波用于不同技术来测定铝板中的裂纹型损伤，以及裂纹位置和尺寸。当Lamb波遇到突然的厚度变化时发生的模式转换。Staszewski使用了3D激光测振仪，在时域中将Lamb波域裂纹损伤的相互作用实现了可视化。最近，Yu和Leckey研究了稀疏传感器阵列Lamb波方法检测裂纹缺陷，Jin等研究了刻痕深度对Lamb波反射的影响，发现了波的反射随着刻痕深度的增加而增加。导波也应用在其他类型的缺陷检测中。稀疏传感器阵列的限制引发了近期对全波域数据采集与分析的研究和进步。几个作者建议，稀疏传感器阵列可用于定位感兴趣的区域（可能包含缺陷的区域），全波域分析方法还可用于感兴趣区域的进一步的缺陷参数化。全波域采集的典型的塔尖是使用压电陶瓷片激发波形，使用激光多普勒测振仪采集波在时-空域的传播。使用这个方法，导波与结构损伤相互作用的细节都被记录下来且可见。一旦时-空波域数据采集完成，数据分析可通过多维傅里叶变换或其他方法进行。多维傅里叶变换将时-空域的数据转换到频率-波数域，此时，导波参数比如模式成分可识别，此时可使用波模滤波和波数计算方法。本文中的工作聚焦于使用先进的波域分析方法量化裂纹，通过非接触式测试和相应的数据处理方法量化了裂纹尺寸和强度，扩展了先前献中的工作。特别是，本文展现了频率-波数的应用和Lamb波与铝板中的裂纹缺陷相互作用的时域分析，两个缺陷成像方法的后续应用：滤波重构成像和空间波数成像。这个两个不同的成像方法用来提供一个更具鲁棒性的裂纹损伤的量化。本文从五个章节中节选出使用激光测振仪进行试验测试与验证和后面的结论章节。仿真和试验的波域数据使用波域分析和成像方法来分析。我们的研究说明了展示的成像技术可用来做非接触测试和板件铝材结构如飞行器机身的损伤评估。02试验测试与验证2.1试验搭建图1EFIT仿真样本排列，坐标原点位于PZT中心本试验研究的是一块2024-T3铝板，全厚裂纹。样件布局与EFIT模型一致(图1)，裂纹用电火花加工，长度为31mm。Lamb波一发一收测试由压电片和激光测振仪系统进行。图2显示了整个系统搭建，压电片直径7mm，厚度0.2mm，用来激励Lamb波。激励信号为360kHz的平滑的正弦波的3个周期，加载汉宁窗，信号由信号发生器(HewlettPackard33120A)产生。激励信号经电压放大器(Krohn-Hite1506)放大到40V，再传输给压电片。使用扫描式激光测振仪进行表面速度测试，激光测振仪型号为Polytec公司的PSV-400-M2（新一代型号已升级成PSV-500，具有更好的光学灵敏度及测试精度）。为采集面外速度V2，激光头垂直指向板件表面，导波扫描测试范围为190mm-110mm，空间采样间隔△d为0.5mm，数据采集需要83,600个扫描点，测试时间大约84分钟。注意，△d采样间隔d的选择是为了满足采样定理，如△d≤λ/2，此处λ是入射波的波长。另外，经验表明较小的△d会有比较好的空间分辨率。在测试中，A0波长为4.6mm，因此0.5mm(λ/9)采样间隔可满足采样定理，并为测试波域提供一个良好的空间分辨率。图2试验搭建图3.激励频率360kHz，1mm厚铝板，TT裂纹，波域成像:(a)第36μs时(b)第65μs时2.2试验结果图3显示了激光测振仪采集的分别在36μs和65μs的时-空波域图像。激光测振仪测试清晰地捕获到了A0和S0模式的波以及他们与裂纹的相互作用。在第36μs，入射的S0模式的波进过了裂纹，而A0还未到达。可观察到S0反射波，A0反射波幅值较低，是由于从S0到A0的模式转换。在第65ls，A0模式波经过裂纹，可观察到A0反射。请注意，激光测振仪测试结果相比EFIT仿真结果的反射较弱，是由于EFIT仿真中的理想的激励源与实际压电片激励源的差别，试验的信噪比以及仿真模型中未考虑材料阻尼等引起的。将滤波重构成像法应用在激光测振仪的数据上。图4a给出了激励频率为360kHz时的波数谱与理论波数曲线叠加的图。与仿真结果类似，在有裂纹的板上的频谱中观察到了新的对角波数成分。该滤波技术用来只保留新的对角波数，产生的滤波重构图像如图4b所示。图像中可清楚地看到裂纹，以及其位置的估算，裂纹中心在(132.6mm,56.1mm)处，误差为(1.22%，1.58%)，裂纹长度为28.1mm，误差9.35%。图4.针对TT裂纹使用基于激光测振数据的滤波重构图像法:(a)在360kHz处的频率-波数谱;(b)板件的重构图像表明裂纹损伤的存在图5.利用激光测振仪数据做TT裂纹空间波数成像空间波数成像法也用在LDV数据中，图5给出了激励频率为360kHz时，激光测振仪扫描区域的波数图像。裂纹损伤由较大的波数的区域表示出来。与滤波重构成像方法相比，这个方法可提供更精确一点儿的裂纹位置，裂纹中心位于(131.9mm,56.8mm)，相对误差(0.69%,0.35%)，裂纹长度29.2mm，相对误差5.81%。03结论本文中，我们展示了分析Lamb波波域数据的量化方法，用来检测和评估铝板中的裂纹缺陷。研究了Lamb与结构不连续(本文中为裂纹)相互作用，由于裂纹导致波数沿裂纹长度方向发生改变。利用铝板中不同裂纹尺寸的仿真波域数据开发和测试了两种成像方法。研究了裂纹损伤与波的相互作用，永成像分析方法生成了板件结构的图像。结果显示了两种成像技术都能识别出裂纹位置，尺寸和裂纹严重程度的区别。成像方法还应用在激光测振仪采集的波域数据上，发现可有效监测并量化板件上的用电火花刻蚀的裂纹。本文的工作说明了非接触波域测试和裂纹量化方法。此处展示的技术不但可用来检测裂纹位置和长度，还能提供裂纹严重程度的信息。两种不同成像算法的应用比单一技术处理数据的结果更加具有鲁棒性。本文研究的案例出现的场景是在板件中出现了两个Lamb波模式。因此，报告的损伤成像算法可用在超过一个Lamb波模式的场景中，更接近于真实情况而不是实验室的设置。希望这些方法也可用于超过两个Lamb波模式的场景，尤其是滤波重构成像法。也希望这些方法能应用在超过一个结构不连续的场景中。需要进行更多的研究去评估更高阶次模式的限制。使用相应的入射波对多个裂纹以及不同方向的裂纹检测与量化也是未来研究工作的方向。另外，虽然本文聚焦于裂纹损伤，但所述方法也可用于复合结构的复合损伤，比如分层损伤。

尽管众多科学家已经从理论角度对拓扑力学超材料(TopologicalMechanicalMetamaterials)进行了广泛的研究，但它们的实验表征技术一直有所滞后。为了解决这个问题，来自美国明尼苏达大学的StefanoGonella教授课和XiaomingMao教授课题组在拓扑kagome晶格中，利用激光测振仪实现了超材料力学和弹性波特性的实验表征，阐明了该结构中的面内声子和拓扑特征。在理论模型中，当理想的铰链(idealhinges)被能够支撑弯曲变形的韧带(ligament)所取代时，将会建立起连续弹性极限(continuumelasticitylimit)，这也是在现实的物理晶格中能够观察到的，被研究人员通过激光辅助的方法加以验证。同时，实验还揭示了零能量软边界模式(zero-energyfloppyedgemode)，这是一种局域在边界处的有限频率声子模式。通过精心设计的激励信号对晶格的探测，研究人员能够提取和表征复杂的低频声学模态的所有特征，其中体模和拓扑边界模式是相互重叠并纠缠在一起的。此外，这里的实验还提供了有限频率下存在的强非对称弹性波传播的确凿证据。相关研究发表在近期的《PhysicalReviewLetters》上JihongMa,DiZhou,KaiSun,XiaomingMao,andStefanoGonella,EdgeModesandAsymmetricWaveTransportinTopologicalLattices:ExperimentalCharacterizationatFiniteFrequencies,Phys.Rev.Lett.121,094301–Published28August2018.

压电片谐振器轮廓模态的单电极传导压电片谐振器用于传递特定的轮廓模态体声波(BAW)谐振振型。基于铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）薄膜的独特性，必须使用激光多普勒测振仪来测量微型盘式谐振器。PMN-PT是一种铁电材料，以其良好的压电和电致伸缩性能而闻名。面内位移曲线，可显示出轮廓模态、共振模态、切向模态和酒杯模态族。这些轮廓模态对生物传感、射频和旋转传感应用具有重要意义。压电MEMS器件的应用极其广泛，几乎无处不在，从生物传感到手机上用到的射频滤波器。正是由压电引起的声波共振特性使得这些应用成为可能，尤其是传感领域的使用。事实证明，多种形状的体声波(BAW)和表面声波(SAW)谐振器功能强大，且加工简单。由于器件的谐振频率由谐振器的横向尺寸所决定，因此，在同一晶粒上需要多个模态或多个谐振频率时，体波谐振器的轮廓模态就特别适合这类应用。盘式谐振器产生的一些有趣的模态振型，尤其对射频滤波、导航和生物传感领域的应用非常有用。例如，切向模态是一种等容模态：这意味着谐振体的总体积在共振过程中不会改变。这种纯粹的剪切旋转模态振型被用于生物传感，因为它产生的位移完全平行于流体流向。然而，使用传统已知压电材料的方向性压电效应是无法传递这种模态振型的。图1：使用分体式电极激发出盘式谐振器的酒杯模态另一种有趣的模态振型是酒杯共振模态振型，它由径向和切向的位移模态振型组合而成。虽然可以用分体式电极（图1）来传递这种模态，它与盘式谐振器的应变曲线部分匹配，但不可避免的会因为错位问题而导致出现虚假模态。图2：单个金电极的盘式谐振器同时激发出酒杯模态和切向模态本次研究表明，可以使用覆盖整个圆盘表面的单个电极来直接传递切向模态和酒杯模态族，如图2所示。因此，在对有用的模态进行有效耦合时，可完全消除错位影响。正是铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）薄膜的特性，使得这些模态的转导成为可能。特定切割方式下，这种单晶材料的具有面内相反的压电系数，这会导致产生相反方向的面内位移。试验搭建将微型盘式谐振器固定在扇出型印刷电路板上，通过焊线与德国Polytec公司的MSA-100-3D显微式激光测振仪相连，可测试出谐振器的面内和面外振动信息。使用上述激光测振仪为谐振器提供电激励并进行扫描测试，然后使用PSV软件对模态振型进行分析。PSV软件可以根据用户需求自定义测试网格，提供不同的空间分辨率，以匹配感兴趣的测试频率。谐振器盘半径在20~60μm之间，建立笛卡尔坐标系，设置等间距测点，以避免出现几何偏差。图3：试验搭建，MSA-100-3D显微式激光扫描测振系统图3为试验装置。图4为器件和待测网格整体图。本次测试共设置了1085个测点。为增强面内位移检测所需的反射光强度，我们在盘的电极上方上布置了光刻胶图案。图5a为被测的盘式谐振器整体图，图5b为增强漫反射对被测表面进行处理的细节图。图4：试验装置整体图(A)和定义扫描点(B)图5：盘式谐振器表面处理，以增强漫反射测试结果当输入电压幅值为1V时，半径为60μm的盘式谐振器在酒杯模态（谐振频率为8.42MHz）的端部位移为11.46nm。同一器件在1V电压的激励下，在282kHz时出现切向共振，并导致40°/s的旋转速率。根据测试结果，这两种谐振模态振型的位移与施加的电压线性相关。结论和展望由于PMN-PT材料的独特性能，我们使用单个电极激发出切向模态和酒杯模态。使用单电极可以使电极自动对准谐振器，避免出现错位问题。激光多普勒测振仪则用来表征微型盘式谐振器的轮廓模态振型。该致动器的自对准特性，对于关注切向模态的无正交误差陀螺仪、无TED振荡器而言具有很大吸引力。切向模态的旋转速度以及与其外加的信号幅值呈线性关系表明，盘式谐振器可以用作陀螺仪现场校准标度因数的微型速率转台。因此，该技术为体波MEMS陀螺仪内置初级校准平台提供了关键要素。

原子力显微镜（AFM）作为一种强大且应用广泛的纳米级成像技术，极大地革新了我们在原子和分子尺度层面对表面及材料的认知。凭借其在纳米尺度下实现高分辨率成像、力测量以及材料操控的卓越能力，AFM已然成为材料科学、生物学和纳米技术等诸多领域中不可或缺的关键工具。AFM的核心工作原理在于，通过在样品表面扫描尖锐探针，并维持探针与样品间力或高度的恒定，进而实现对表面形貌和性质的精准探测。在这一过程中，探针与样品间的相互作用力被敏锐捕捉并转化为极具价值的数据，使我们能够深入了解表面特征、粗糙度、粘附力以及弹性等多方面的信息。在本文中，我们将深入探讨原子力显微镜（AFM）在测量探针尖端所受力或变形时所采用的各类检测方法。详细剖析这些方法的原理、优势以及存在的不足之处。其中，我们会特别聚焦于压电力显微镜（PFM）。PFM通过运用激光多普勒测振（LDV）技术实现干涉式位移传感（IDS），为检测工作提供了精准且可靠的技术支撑。光学光束检测——原子力显微镜的主流检测方法当前，几乎所有商用原子力显微镜（AFM），均采用“光学光束检测”（OBD）技术——有时也称作“光束反射”检测技术，来感知探针的位移变化。如图1所示，激光二极管或超辐射二极管发射的光束，聚焦于悬臂梁的背面。反射光束被引导至四象限光电探测器上，探测器的中心位置经过校准，保证每个象限接收到的光强基本相等。当悬臂梁因外力产生弯曲时，反射光束的角度发生变化，导致探测器上光斑的位置相应改变。具体而言，悬臂梁向上或向下弯曲时，光斑将沿垂直方向移动；悬臂梁发生扭转时，光斑则会出现横向位移。光斑的这些移动，可通过探测器象限上光强比例的变化精确测量。这项技术在AFM诞生后不久便被成功开发，凭借实施简单、成本低廉，且检测噪声极低（通常为200-300fm/√Hz）的优势，时至今日，依然是AFM领域主流的偏转检测技术。尽管这种标准检测方法在众多应用场景中展现出了卓越的有效性，但在面对某些特殊力作用于探针尖端的情况时，仍然暴露出一定的局限性，典型的应用场景如压电力显微镜（PFM）测量。利用PFM测量表征压电和铁电材料压电力显微镜（PFM）基于原子力显微镜（AFM）技术发展而来，自20世纪90年代初问世，迅速成为纳米尺度下表征压电和铁电材料的顶尖技术。压电效应指材料受机械应力作用时产生电荷的现象。同时，这类材料还具有逆压电效应，即在电场作用下会产生机械变形，这构成了所有PFM技术的工作基础。PFM最基础的工作过程为：导电的AFM探针与压电或铁电样品接触，通过悬臂梁向样品施加交流偏置电压（Vtip）。样品在电场作用下产生变形，该变形致使悬臂梁发生偏转。AFM悬臂梁的光学检测系统会对这一偏转进行测量，随后将信号传输至锁相放大器，以便还原信号的幅度与相位。其中，信号幅度（A）与有效压电耦合系数（deff=A/Vtip）的大小呈正比，而相位则能反映材料的极化方向。不过，PFM测量的信噪比会制约其在机电响应极弱材料上的应用。为突破这一限制，科研人员采取了多种举措，以提升测量方法的灵敏度，规避测量假象。但对这些假象的深入探讨并不在本文讨论范畴之内。即便如此，有一种与共振相关的测量假象依然存在。它由光学光束检测（OBD）方法，以及悬臂梁和样品之间的静电力共同引发。当在探针和样品间施加交流偏置电压时，即便样品并无真实的机电响应，悬臂梁和样品间的静电力（电容力）也可能激发悬臂梁共振。在这种情况下，探针尖端虽未移动，但悬臂梁会依据自身的特征弯曲模式产生弯曲。OBD方法能够检测到悬臂梁的这些角度变化，即便探针尖端没有垂直位移（见图2）。换言之，OBD方法本质检测的是悬臂梁的角度变化，因而即便探针尖端静止，该方法依然会检测到相应变化。图2：此示意图阐明了，即便探针不存在任何垂直位移，悬臂共振模式如何因悬臂角度变化，产生虚假的弯曲信号·A场景：当探针位于样品表面，且悬臂未受静电力作用时，光梁偏转（OBD）探测器上的光斑读数归零。·B场景：探针仍处于样品表面时，静电力会致使悬臂向上弯曲。此时，即便样品并未产生压电响应，OBD系统仍会生成虚假的挠度信号。·C场景：同理，当静电力使悬臂向下弯曲，OBD同样会反馈虚假的挠度信号。值得注意，在A、B、C这三种场景下，由于样品无压电响应，探针始终没有发生位移。然而，悬臂与样品间的静电相互作用，致使悬臂发生弯曲，进而改变了悬臂的角度。LDV助力克服PFM测量中的OBD静电伪像针对OBD在PFM测量中的这些缺点，牛津仪器公司的AsylumResearch开发了Cypher干涉式位移传感器（IDS）AFM。这款AFM集成了激光多普勒测振仪（LDV），它可以在使用标准OBD技术的同时，通过干涉测量悬臂梁的偏转（图3）。与OBD相比，干涉测量有几个优点：·它直接测量悬臂梁的位移（而OBD测量的是与角度成正比的量）。·测量本身由激光波长校准（而OBD每次调整都需要校准）。·其悬臂梁偏转的噪声本底比典型的OBD低2~3倍（通常<100fm/√Hz）。对压电力显微镜（PFM）测量而言，最关键的在于，激光多普勒测振（LDV）系统的激光光斑，能够精准定位到探针尖端上方（见图4D~E）。在此位置，LDV测量仅对探针的实际位移产生响应，不会受到悬臂共振模式形态的干扰。下文将阐述，这一特性让PFM测量能够规避棘手的静电干扰，大幅提升测量的准确性与可靠性。图3：A）CypherIDS原子力显微镜（AFM）在保留标准光梁检测（OBD）探测器的基础上，创新性地集成了激光多普勒测振仪（LDV）。IDS系统发射的激光光斑极为精细，直径仅约4μm，与之形成鲜明对比的是，标准OBD光斑直径范围在10-30μm。（B~E）系统支持软件操控，操作人员通过软件，能够对OBD和IDS检测对应的光斑位置进行独立调节。（D~E）当IDS激光光斑精准定位到可见尖端探针的尖端时，IDS将仅对探针尖端位移展开测量，这种设计能够有效排除静电干扰对测量的影响，大幅提升测量精度周期性极化铌酸锂（PPLN）的PFM测量周期性极化铌酸锂（PPLN）是压电力显微镜（PFM）测量中常用的标准测试样品。理论上，PPLN应展现出与频率无关的响应特性，无论极化方向如何，其幅度响应都保持一致，且在极化方向相反的区域之间，会产生180°的相移。然而，从图4A~C可以明显看出，在实际PFM测量中，若采用传统的光梁检测（OBD）悬臂梁偏转测量技术，PPLN并未呈现出上述预期特征。不仅如此，对有效耦合系数的多次重复测量结果波动极大（图4D）。这些与理论预期相悖的现象，清晰地表明测量过程存在问题。直到近期，研究才明确将其根源归结于静电伪像的干扰。总的来说，与光梁检测技术相关的静电伪像，给PFM测量结果的分析和解读带来极大的不确定性。这些伪像可能会以磁滞回线的形式，输出错误的铁电性信号，严重干扰对铁电材料的准确识别。同时，它们还会导致压电响应（d33）的测量结果出现显著偏差，使得不同压电或铁电材料之间难以进行定量比较。鉴于准确识别铁电材料、实现材料间压电性能的定量比较，是PFM测量的两大核心目标，因此，消除静电伪像的干扰显得尤为重要。基于干涉测量技术的原子力显微镜，如AsylumResearch公司的CypherIDS，可直接测量探针的位移，且不受静电力的影响。这一特性使得PFM测量结果与PPLN的理论预期高度吻合（图4E~F），并且在多次测量过程中，展现出极高的重复性（图4D）。图4：借助光梁检测（OBD）与CypherIDS技术，对周期性极化铌酸锂（PPLN）开展压电力显微镜（PFM）测量的结果对比。运用OBD检测时，PPLN中极性相反的畴呈现出以下特征：A）振幅响应存在差异；B）极性相反的畴相移仅约20°，这与样品预期特性相悖。与之不同，采用CypherIDS检测时，极性相反的畴：E）振幅响应一致；F）呈现完整的180°相移OBD测量中出现的偏差，源于其测量过程对频率变化极为敏感。如图C所示，OBD测量的振幅响应极易受悬臂共振影响，而CypherIDS测量基本不受频率变化干扰。因此在D图中，使用OBD时，有效压电系数（deff）测量结果波动极大、缺乏一致性；CypherIDS则能给出高度稳定、可重复的测量数据。重要结论CypherIDS由牛津仪器旗下AsylumResearch与Polytec携手研发。凭借突破性的技术优势，它迅速成为压电和铁电材料机电特性表征领域的行业标杆。在测量过程中，CypherIDS有效规避了静电伪像的干扰，精准获取材料的机电响应数据。借助这一特性，研究人员不仅能够清晰描绘铁电材料的极化切换磁滞回线，实现对铁电特性的直观呈现，还率先达成了对压电和铁电材料机电耦合系数的高精度、高重复性测量。这种可靠的测量方式，为深入研究压电和铁电材料的物理性质，提供了强有力的技术支撑，极大地推动了相关领域的科研进展与产业应用。

可调谐MOEMS滤光模块是一种基于微光机电系统技术的核心光学器件，法布里-珀罗（Fabry-Perot）干涉原理的MOEMS设备是一种典型的微光机电系统（MOEMS）实现方式，其实现包括通过微机械结构动态调节光学参数，实现对特定波长的选择性透射或反射。以下我们简称其为MEMSFP器件。结构，核心组件及应用MEMSFP型MOEMS滤光模块的核心结构主要包括以下部分：1.法布里-珀罗（F-P）腔：由两层高反射膜（通常为金属或介质膜）构成，形成光学谐振腔。光在腔内多次反射后，仅满足干涉极大条件的波长被透射。2.可动镜面支撑结构：采用硅基材料（如可动镜面Si支撑结构），通过悬臂梁与衬底连接。悬臂梁的弯曲变形带动可动镜面移动，从而改变F-P腔的间距（腔长）。3.静电驱动系统：包括重掺杂导电区域和电极引线，通过施加电压在可动镜面与衬底间产生静电力，驱动悬臂梁弯曲。4.增透膜与封装结构：增透膜覆盖于衬底和可动镜面表面，减少光损耗；封装结构保护微机械部件并确保稳定性。MEMSFP器件型MOEMS芯片图如下：图1MEMSFP器件型可调谐MOEMS滤光模块示意图与传统的调光技术相比，MEMSFP器件滤光模块尺寸仅为毫米级，可与光通信芯片直接集成，满足微纳卫星等小型化平台需求。此外，它的工作驱动功耗低（通常为微瓦级），适合高密度部署，通过优化悬臂梁结构（如多支撑臂设计）和材料（如InP基悬浮膜），调谐范围可扩展至近红外波段，硅基微加工工艺（如光刻、刻蚀、键合）又能确保器件的一致性和稳定性。基于以上优势，MEMSFP器件滤光模块被广泛应用于动态波长选择（DWDM）、可重构光分插复用器（ROADM）和光交叉连接（OXC）等光通信器件；在无人机或微纳卫星等光谱成像领域中实现多光谱探测，提升目标识别能力；此外，在生物传感领域，结合可调谐滤光特性，用于实时监测生物分子的光谱特征等。MEMSFP器件特性测试MEMSFP器件的微型化结构（微米至毫米级）对机械性能极为敏感，与传统电子芯片相比，在研发和验证阶段对MEMSFP器件机械特性测试是确保其可靠性和功能稳定性的关键环节，其必要性体现在：•结构脆弱性：MEMSFP器件悬臂梁、薄膜等微结构易受应力集中、疲劳断裂影响，需验证其抗变形能力。•动态性能关联性：机械参数（如弹性模量、共振频率）直接决定光学调谐速度、精度及寿命。•环境适应性：器件需在振动、温度波动等复杂环境下长期工作，需评估其机械稳定性。传统测试往往只关注MEMS器件的电学特性，忽视其中非常重要的机械特性的研究。从而造成良率，产品一致性的问题。MEMSFP器件特性测试及测试项目法布里-珀罗（F-P）腔的典型结构如图2所示，是由一对镀有高反射膜的平板组成，二者平行放置，夹一层厚度均匀的空气膜，镀膜面相对，形成两个反射镜面。其原理是基于法布里-珀罗相干透射原理：即当入射光在F-P（法布里-珀罗）腔内经过多次反射和干涉相干叠加，只有当光波长和往返光程差满足特定的条件，才能在出射谱中出现谱峰，实现对入射光的选频分光，通过调谐F-P腔的腔长d，将入射的连续宽光谱改变为特定波长的准分立光谱。图2典型结构及原理示意图阵列式MOEMS滤光芯片的每个像元的三维剖面结构示意如图3所示，两反射镜由两个相平行的硅平板实现，两硅板的内表面均镀有高反射光学膜。利用阻挡结构的支撑，在两平板之间的形成厚度均匀的空气间隙，从而定义F-P腔的腔长。通过可动硅平板结构动态调节F-P腔长，进而实现对不同波长的分立光谱的透射输出。图3MOEMS滤光芯片像元三维和剖面结构示意图MEMSFP器件除了光学参数外，还有空腔调谐幅度、波长调谐响应速度，平行度等多项关键指标需要测试评价，其中合格的芯片要求空腔调谐幅度≥500nm，波长调谐响应时间≤10ms，并保证可动镜和固定镜在调谐过程中保持平行。空腔调谐幅度（如图2中的参数d）为可动镜相对于固定镜可调谐幅度，空腔调谐幅度决定了MEMSFP器件光谱调谐范围。空腔调谐速度决定了波长调谐响应时间，他具体指给MEMSFP器件模块施加驱动电压时，可动镜到达空腔调谐位置所用的时间，单位为毫秒（ms）。调谐平行度是可动镜在调谐过程中相对于固定镜应当品行移动。MEMSFP器件特性测试及测试参数不同于传统半导体器件（IC、晶体管）的测试，MEMSFP器件测试一般为给定电信号-测量其他机械特征物理量，或者给定其机械特征物理量-测量电信号，这点必须明确。其中本案例中就是这样的典型实例：给定电信号，测量位移物理量。1、空腔调谐幅度（如图2中的参数d）为可动镜相对于固定镜可调谐幅度，是给定电压下，由静电驱动可动镜相对于固定镜的调谐幅度。这里就需要使用差分多普勒激光测振仪将参考激光对准固定镜，给定驱动电压，然后测量可动镜的调谐幅度。2、空腔调谐速度为可动镜在给定驱动信号（方波，频率1Hz–2Hz，占空比50%，电压0-10V、20-0V、0-30V）从10%上升至90%的时，测量动镜上升的时间。3、调谐平行度为可动静在调谐后相对于固定镜的平行度，一般为可动静在调谐后是否还是平行调谐。MSA-600显微式激光测振仪助力MEMSFP器件机械测试图4带有探针台的MSA-600显微式激光测振仪适用于MEMS动态特性测试的MSA-600显微式激光测振仪，集多种测量功能于一体，其不仅能测量面内振动和面外振动，还能测量表面形貌。系统具有极高的灵活性和精度，以满足显微结构未来的发展需要。显微式激光测振仪可提供精确的三维动态和静态响应数据，在降低开发和制造成本的同提高产品性能，从而缩短设计周期，简化故障处理，提高产品产量。为了捕获FP器件的瞬态特性，需要使用MSA-600的时域测量模式，该模式可以捕获FP器件运动的完整运动周期，帮助分析器件的瞬态特性参数。图4测量过程中的MEMSFP器件芯片阵列图5FP像元完整的运动周期通过对时域信号中，利用PSV软件提供的差分光标功能，轻松获得上升沿和行程的数据。图6FP像元位移行程数据图7FP像元上升时间数据利用PSVAcquisition软件的开放式接口，自动提取参数要从单个晶圆上的几十个像元中手动单独提取每个像元的数据往往费时费力，MSA-600自带的PSV测量软件提供了自动化编程的开放式数据接口，让测试工程师轻松的实现自动化的数据提取，数据分析和数据呈现。这将大大提升测试效率。PSV测量软件的开放接口基于行业标准的MicrosoftCOM/DCOM自动化接口，用户可以使用熟悉的Python；MATLAB；C/C++；.NET；LabVIEW等常规开发工具获取数据，快速轻松的获得自定义测项，轻松获取结果。图8PSV软件的自动化编程接口图9基于PSV软件开发的MOEMS器件评估工具图10DampingRatio（-3dB）阻尼数据图11位移/平行度数据图12平坦度数据图13瞬态特性数据MSA-600——MOEMS机械测试的高效赋能者随着光通信、光谱成像等领域的快速发展，基于MEMSFP原理的MOEMS滤光模块的高精度动态调谐需求日益迫切，而微型化结构带来的机械性能挑战（如悬臂梁疲劳、动态响应迟滞等）已成为行业痛点。MSA-600显微式激光测振仪凭借亚纳米级位移分辨率、三维动态捕捉能力及自动化测试软件，为MOEMS器件的研发与量产提供了全流程解决方案：•精准高效：通过差分激光测振技术，常规环境下，直接测量可动镜面位移（分辨率达50fm），实现空腔调谐幅度、响应速度等核心参数的无损检测；•智能分析：PSV软件的开放式接口支持批量数据提取与自定义算法开发，帮助客户将测试效率提升50%以上；•场景适配：从实验室单点验证到中实产线批量检测，MSA-600已助力多家头部企业将MEMSFP器件良率提升至99.5%，并缩短30%的研发周期。未来，随着MOEMS技术向更高频、更微型化方向发展，MSA-600将持续迭代软硬件生态，以更智能的测试工具和更开放的协作模式，赋能客户突破性能边界，领跑下一代光学器件创新。