马里兰州盖瑟斯堡，2022年2月23日——一种可以将声波在一定频率范围内成像并产生所谓的声波电影的仪器，将有助于更好地理解声波振动。在微波频率下，动态测量机械谐振器振动的能力对于5G无线通信和量子态产生、存储和传输等新兴技术至关重要。

 然而，随着 5G 网络在无线通信中占据主导地位，测量这些微小声波的挑战势必会增加。此外，通常用于对振动波场进行成像的方法，即连续波激光干涉仪，仅限于振动幅度，这些振动幅度对于这些新兴技术来说是不够的。

 该仪器由美国国家标准与技术研究所(NIST)的一个团队开发，该仪器使用一个具有飞秒(fs)激光脉冲的频闪干涉仪，在相干激励下对谐振器的运动进行光学采样。该仪器结合了连续波干涉仪和泵浦探测系统的元素，比单独使用任何一种方法都能获得更好的分辨率和带宽，使纳米机械振动能够在超高频下进行测量。

 干涉仪的照明源是每秒发出 5000 万次脉冲的激光，这比所测量的振动要慢得多。

 干涉仪比较沿不同路径行进的两个脉冲。第一个脉冲通过显微镜，将光聚焦在振动的微机械谐振器上;然后这些光被反射回来。第二个脉冲作为参考;它的路径是不断调整的，这样它的长度就在第一个脉冲所走过的距离的一微米以内。

 参考激光脉冲比微机械谐振器的振动频率慢 20 到 250 倍。这允许照亮谐振器的激光脉冲实际上减慢声学振动，类似于频闪灯似乎减慢运动中的物体的方式。这种频闪灯效果将谐振器的运动“冻结”在研究人员感兴趣的特定点。

此外，这种减速可以将以GHz频率振荡的声学振动转换为MHz频率。研究人员贾森·戈尔曼说:“移至更低的频率可以消除通常在微波频率下发现的通信信号的干扰，使我们能够使用更低电噪声的光电探测器。”

   NIST 制作的电影使用光学干涉仪捕捉了与手机中类似的微谐振器的原子级振动。频率范围内的微机械谐振器由 NIST 团队开发的仪器测量，可用于存储脆弱的量子信息并将数据从量子计算机的一个部分传输到另一个部分。由 NIST 提供。

 当两个脉冲相遇时，每个脉冲产生的光波会重叠，形成干涉图案。随后进入干涉仪的脉冲将随着谐振器振动而改变干涉图样。研究人员可以根据图案的变化来测量振动的振幅和相位。每个脉冲只持续120 fs，提供来自谐振器振动的连续更新。

 激光扫描谐振器，采样整个设备表面振动的振幅和相位，并在微波频率范围内产生高分辨率的图像。通过将这些测量结果结合起来，在多个样本上取平均值，研究人员可以创建共振器振动模式的3D电影。

 图像和电影显示谐振器是否按预期工作。它们突出了问题区域，例如声能从谐振器中泄漏的地方，降低了谐振器的效率，并导致信息丢失。通过识别问题区域，NIST的仪器为科学家提供了他们需要改进谐振器设计的信息。

 使用这种新方法，研究人员测量了高达12 GHz的声学振动，噪声底面接近平坦的飞米尺度，频率分辨率任意精细，同时保持了低至100 μW的测量激光功率。该团队认为，它可能能够将测量扩展到25 GHz，这将为5G通信和使用量子信息的潜在未来应用提供必要的频率覆盖。研究人员报告说，他们可以对振幅小至55飞米的声波振动进行成像。

   NIST仪器测量的频率范围内的微机械谐振器可以用来存储脆弱的量子信息，并将数据从量子计算机的一个部分传输到另一个部分。建立一个成像系统，可以常规测量微机械谐振器的应用需要进一步的研究。然而，目前的研究代表了一个里程碑，在评估微机械谐振器精确执行高频的能力，这将是有效通信和量子计算在不久的将来所需要的，Gorman说。