Cavity Optomechanics 腔體光機械量測

應用說明

腔體光機械學研究的是光子（光的粒子）與聲子（機械振動）之間的基本相互作用，這種耦合機制使得能以量子等級精準控制與量測機械諧振器。在典型的系統中，電磁場被限制在一個光學或微波腔體中，並與機械振盪器相互作用。這種交互作用稱為光機械耦合（optomechanical coupling），會產生可量測的效應，例如邊帶（sidebands）——這些頻率偏移反映了機械系統的動態資訊。

這些邊帶稱為 Stokes 與 anti-Stokes 頻譜線，能揭示機械位移、量子態或熱擾動等物理特性，因而使腔體光機械學成為量子科學與感測領域的重要工具。

腔體光機械學的應用橫跨多個領域，例如量子感測、拓樸物理與量子記憶。近年來的研究進展，推動了光機械系統在混合量子技術上的應用，例如量子轉換（quantum transduction），藉由機械運動實現不同量子平台間的訊號轉換。納米光機械系統（nano-optomechanical systems）是另一新興應用，實現了在晶片上進行的聲子-光子耦合。

量測策略

光機械實驗需要仔細考量多個因素以確保量測可靠。挑戰包括如何在高度雜訊背景中偵測微弱機械訊號，並在寬頻範圍內保持高解析度。腔體的性質（如尺寸與介電常數）變化會產生週期性的邊帶，需要高精度儀器才能捕捉這些效應。

一般的量測策略是利用受控訊號驅動系統，並觀察其頻譜或時間領域的回應。傳統工具如頻譜分析儀能進行基本量測，但在進階應用中靈敏度可能不足。現代方法使用數位鎖相放大器（lock-in amplifier）進行即時處理、訊號隔離與多頻域同步操作。例如，邊帶可透過同相（homodyne）或異相（heterodyne）配置進行解析，提供機械振盪器與腔體場的詳盡資訊。

微波領域量測與腔體穩定

微波光機械系統通常以 LCR 電路模型表示，其中微波腔體被建模為電感（L）、電容（C）與電阻（R）。機械元件則表現為一個附加的電容，會週期性改變腔體的共振頻率。此機械元件可用質量-彈簧模型來描述，形成此附加電容的一部分。

在微波領域中，量測透過反射或傳輸分析進行。系統以微波訊號驅動，再用頻譜分析儀或向量網路分析儀（VNA）觀察回應。Zurich Instruments 的 SHFLI 8.5 GHz 鎖相放大器簡化了這一流程，允許從 DC 到 8.5 GHz 的直接激發與讀取，無需額外的下轉換元件，並整合邊帶調變／解調功能（透過 Multi-Frequency 與 Modulation Analysis 選配模組），提供一種高效的光機械互動研究方式。

此外，由於環境變動會造成腔體頻率漂移，Zurich Instruments 的鎖相放大器提供內建的 PID 和 PLL 控制器來穩定腔體，確保訊號穩定且不衰減。

光學領域量測

在典型的光學系統中，光學腔體與機械諧振器耦合，光與機械運動的交互作用會調變光的回應。為精確量測與控制這種作用，調變與解調是關鍵策略。透過光學調變器對雷射進行調變，輸出訊號經光電探測器量測，再透過鎖相放大器解調，藉此獲得系統的相位與振幅資訊。

四分量分析（quadrature analysis，即解調後訊號的實部與虛部）對光學量測尤其關鍵，可用於探索量子特徵。這些特徵可透過同相或異相的四分量偵測直接獲得，只需將光電二極體連接至鎖相放大器即可。此外，對於需穩定的光學系統，例如將腔體鎖定於雷射頻率，Zurich Instruments 的鎖相放大器可實現封閉迴路控制，亦支援 Pound-Drever-Hall 等進階穩頻技術。

產品亮點

SHFLI 8.5 GHz 鎖相放大器

• 雙通道 DC–8.5 GHz，14-bit 電壓輸入
• 14 ns–21 s 低通濾波時間常數
• 最多 4 組並行 PID/PLL 迴路控制（需選配 SHFLI-PID）
• 直接邊帶分析（需 SHFLI-MF 與 SHFLI-MOD）

GHFLI 1.8 GHz 鎖相放大器

• 雙通道 DC–1.8 GHz，14-bit 電壓輸入
• 14 ns–21 s 低通濾波時間常數
• 最多4 組並行 PID/PLL 迴路控制（需選配 GHF-PID）
• 直接邊帶分析（需 GHF-MF 與 GHF-MOD）

為何選擇 Zurich Instruments？

• 多樣化量測功能：單一設備即可進行頻率掃描、時域（ring-down）測試、腔體穩定控制、多頻邊帶分析等，無需外加硬體。SHFLI-MOD / GHF-MOD 與 SHFLI-MF / GHF-MF 提供調變與多頻域分析功能。
• 微波頻域直接控制與分析：SHFLI 與 GHFLI 可直接激發與讀取高達 8.5 / 1.8 GHz 的訊號，無需下轉換。加上獨特的微波頻率 PID/PLL 控制能力，實現快速且精準的封閉迴路追蹤與穩定。
• 系統整合便利：提供完整 API（支援 LabVIEW、MATLAB、Python、.NET、C），可快速整合至各種實驗系統與控制架構中。

歡迎來信來電了解更詳細的應用資訊~