微机械频率梳作为一项新兴技术，在诸多前沿领域展现出巨大的应用潜力，正逐渐成为科研和产业界的焦点。光学频率梳在精确测量和时频标准领域占据重要地位，但随着科技发展，其向小型化、集成化方向发展的需求愈发迫切。微机械频率梳正是在这样的背景下应运而生，它借鉴光子和声子的共性，基于机械振动实现独特的频率梳功能，为传感器技术、量子信息通信以及极端环境应用开辟了新路径。
据麦姆斯咨询报道，针对微机械频率梳领域，上海交通大学的研究团队在《动力学与控制学报》期刊上发表了题为“微机械频率梳动力学行为及应用研究综述”的综述文章。该文章主要阐述了微机械频率梳基于参数激励、内共振、碰撞效应、负耗散、负非线性摩擦等多种激发原理，总结了国内外现有的研究现状。此外，该文章还从实际应用的角度进一步剖析微机械频率梳在相关领域的应用，并对微机械频率梳未来发展方向进行了总结和展望。
在形成机理方面，该文章分析在一维非线性系统中，声子间强相互作用会引发能量分裂，外部频率激励匹配本征声子振动模态频率和时，三波混频产生微机械频率梳。其梳齿间隔与驱动频率、模态谐振频率紧密相关，通过调节驱动信号可实现对微机械频率梳的精准控制。
这项研究详细阐述了多种激发微机械频率梳的原理。参数激励通过调制系统参数引发共振（如图1），如Ganesan等人利用亚谐波自参激，在特定条件下实现三波混频产生微机械频率梳，且其工作带宽与激励幅值直接相关。内共振在微机械频率梳形成中也至关重要（如图2），当机械系统不同振动模态频率呈整数比时，模态间能量传递会产生复杂动力学行为，即可实现了微机械频率梳的产生及可调性控制。
图1 基于参数激励产生的微机械频率梳
图2 基于内共振产生的微机械频率梳
碰撞效应为线性谐振器引入非线性，从而产生微机械频率梳。Guerrieri等人制备的压电谐振器，在激励幅值足够大时，谐振器与横梁碰撞引入强非线性，在幅频曲线上表现为刚度硬化响应（如图3）。不过，该技术的长期稳定性和可靠性有待进一步研究。
图3 基于碰撞效应产生的微机械频率梳
负耗散系统同样可产生微机械频率梳。Mahboob等人通过构造负耗散系统，实现了两个模态的耦合，当负耗散条件满足时，频谱上出现微机械频率梳，且梳齿根数和间隔可通过泵浦幅值和频率调节（如图4）。此外，研究人员还发现基于负非线性摩擦，单频振动模态也能引发微机械频率梳，这一发现为该领域研究开辟了新应用领域。
图4 基于负耗散产生的微机械频率梳
除微观层面，宏观层面也有生成微机械频率梳的实例。Nguyen等人利用液体中气泡团的非线性振荡（如图5），在低压单频超声波作用下形成微机械频率梳，在水下测量和通信等领域具有应用潜力。在超导量子电路中，约瑟夫森结的非线性特性在特定条件下也能使系统产生微机械频率梳（如图6）。
图5 基于液体中气泡团产生的微机械频率梳
图6 基于约瑟夫森结模拟电路产生的微机械频率梳
微机械频率梳在实际应用中成果显著。在无人驾驶车辆远场定位方面，Hussein等人提出新方案，利用信标驱动车辆中的谐振器芯片，通过微机械频率梳梳齿间距变化实现测距，实验验证其测量精度高、误差小，远超现有无源无线定位技术。水下距离精确测量中，Wu等人利用水声换能器发射不同频段声波产生微机械频率梳，将水下测距精度提升到7 m，为水下导航和定位提供了有力支持。在密码学领域，Chen等人通过热噪声驱动微机械频率梳的模式切换，生成了通过NIST 800 - 22测试的真随机数序列，满足硬件加密需求。
总之，微机械频率梳发展迅速，在精密测量、信号处理等领域展现出独特优势。不过，目前其工作带宽通常比光学频率梳要更窄、生成的梳齿根数要更少，长期稳定性和自锁频原理等方面的研究还需加强。未来，随着研究的深入，微机械频率梳有望在更多领域实现突破，为相关产业发展带来新机遇。
论文信息：
DOI: 10.6052/1672-6553-2024-074
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