О термооптическом возбуждении параметрических колебаний микробалочных резонаторов. II
DOI:
https://doi.org/10.21638/spbu01.2023.404Аннотация
Статья является второй частью работы, посвященной исследованию нелинейной динамики параметрически возбуждаемых изгибных колебаний зажато-зажатого микробалочного резонатора - основного чувствительного элемента перспективного класса микросенсоров различных физических величин - под действием лазерного термооптического воздействия в форме периодически генерируемых импульсов, действующих на определенную часть поверхности балочного элемента. Показана принципиальная техническая осуществимость лазерной генерации параметрических колебаний высокодобротных микрорезонаторов без реализации сценариев потери упругой устойчивости чувствительного элемента или его неприемлемого нагрева. Аналитически анализируется природа зоны основного параметрического резонанса. Построены резонансные характеристики системы в геометрически нелинейной формулировке, соответствующей модели балки Бернулли - Эйлера.
Ключевые слова:
нелинейная динамика, параметрические колебания, балка Бернулли-Эйлера, модальное взаимодействие, лазерное термооптическое воздействие
Скачивания
Данные скачивания пока недоступны.
Библиографические ссылки
Литература
1. Vorobyev R. I., Sergeichev I. V., Karabutov A. A., Mironova E. A., Savateeva E. V., Akhatov I. Sh. Application of the Optoacoustic Method to Assess the Effect of Voids on the Crack Resistance of Structural Carbon Plastics. Acoust. Phys. 66, 132-136 (2020). https://doi.org/10.1134/S1063771020020153
2. Yan G., Raetz S., Chigarev N., Blondeau Ja., Gusev V. E., Tournat V. Cumulative fatigue damage in thin aluminum films evaluated non-destructively with lasers via zero-group-velocity Lamb modes. NDT & E International 116, 102323 (2020). https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2020.102323
3. Pan Yu., Rossignol C., Audoin B. Acoustic waves generated by a laser line pulse in cylinders; Application to the elastic constants measurement. J. Acoust. Soc. Am. 115 (4), 1537-1545 (2004). https://doi.org/10.1121/1.1651191
4. Chow G., Uchaker E., Cao G., Wang Ju. Laser-induced surface acoustic waves: An alternative method to nanoindentation for the mechanical characterization of porous nanostructured thin lm electrode media. Mechanics of Materials 91, 333-342 (2015). https://doi.org/10.1016/J.MECHMAT.2015.10.005
5. Champion A., Bellouard Y. Direct volume variation measurements in fused silica specimens exposed to femtosecond laser. Optical Materials Express 2, 789-798 (2012). https://doi.org/10.1364/OME.2.000789
6. Otsuka P. H., Mezil S., Matsuda O., Tomoda M., Maznev A. A., Gan T., Fang N., Boechler N., Gusev V. E., Wright O. B. Time-domain imaging of gigahertz surface waves on an acoustic metamaterial. New Journal of Physics 20, 013026 (2018). https://doi.org/10.1088/1367-2630/AA9298
7. Li C., Guan G., Zhang F., Nabi G., Wang R. K., Huang Z. Laser induced surface acoustic wave combined with phase sensitive optical coherence tomography for super cial tissue characterization: a solution for practical application. Biomedical Optics Express 5 (5), 1403-1418 (2014). https://doi.org/10.1364/BOE.5.001403
8. Phinney L. M., Klody K. A., Sackos Jo. T., Walraven Je. A. Damage of MEMS thermal actuators heated by laser irradiation. Reliability, Packaging, Testing and Characterization of MEMS/MOEMS IV. Proceedings of MOEMS-MEMS Micro and Nanofabrication, 2005, San Jose, 5716, 81-88 (2005). https://doi.org/10.1117/12.594408
9. Serrano J. R., Phinney L. M. Displacement and Thermal Performance of Laser-Heated Asymmetric MEMS Actuators. Journal of Microelectromechanical Systems 17 (1), 166-174 (2008). https://doi.org/10.1109/JMEMS.2007.911945
10. Mai A., Bunce C., Hu¨bner R., Pahner D., Dauderstadt U. A. In situ bow change of Al-alloy MEMS micromirrors during 248-nm laser irradiation. Journal of Micro/Nanolithography, MEMS and MOEMS 15 (3), 035502 (2016). https://doi.org/10.1117/1.JMM.15.3.035502
11. Zook J. D., Burns D. W., Herb W. R., Guckel H., Kang J. W., Ahn Y. Optically excited self-resonant microbeams. Sensors and Actuators A: Physical 52 (1), 92-98 (1996). https://doi.org/10.1016/0924-4247(96)80131-2
12. Yang T., Bellouard Y. Laser-induced transition between nonlinear and linear resonant behaviors of a micromechanical oscillator. Phys. Rev. Applied 7, 064002 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.7.064002
13. Dolleman R. J., Houri S., Chandrashekar A., Alijani F., van der Zant H. S. J., Steeneken P. G. Opto-thermally excited multimode parametric resonance in graphene membranes. Sci. Rep. 8, 9366 (2018). https://doi.org/10.1038/s41598-018-27561-4
14. Zehnder A. T., Rand R. H., Krylov S. Locking of electrostatically coupled thermo-optically driven MEMS limit cycle oscillators. International Journal of Non-Linear Mechanics 102, 92-100 (2018). https://doi.org/10.1016/J.IJNONLINMEC.2018.03.009
15. Bhaskar A., Shayak B., Rand R. H., Zehnder A. T. Synchronization characteristics of an array of coupled MEMS limit cycle oscillators. International Journal of Non-Linear Mechanics 128, 103634 (2021). https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2020.103634
16. Morozov N. F., Indeitsev D. A., Lukin A. V., Popov I. A., Privalova O. V., Shtukin L. V. Stability of the Bernoulli - Euler Beam in coupled electric and thermal fields. Dokl. Phys. 63, 342-347 (2018). https://doi.org/10.1134/S1028335818080086
17. Morozov N. F., Indeitsev D. A., Lukin A. V., Popov I. A., Privalova O. V., Semenov B. N., Shtukin L. V. Bernoulli - Euler beam under action of a moving thermal source: characteristics of the dynamic behavior. Dokl. Phys. 64, 185-188 (2019). https://doi.org/10.1134/S1028335819040050
18. Morozov N. F., Indeitsev D. A., Lukin A. V., Popov I. A., Privalova O. V., Shtukin L. V. Stability of the Bernoulli - Euler Beam under the action of a moving thermal source. Dokl. Phys. 65, 67-71 (2020). https://doi.org/10.1134/S102833582002007X
19. Morozov N. F., Indeitsev D. A., Lukin A. V., Popov I. A., Shtukin L. V. Nonlinear interaction of longitudinal and transverse vibrations of a rod at an internal combinational resonance in view of opto-thermal excitation of N/MEMS. Journal of Sound and Vibration 509, 116-247 (2021). https://doi.org/10.1016/j.jsv.2021.116247
20. Морозов Н. Ф., Индейцев Д. А., Лукин А. В., Попов И. А., Штукин Л. В. Нелинейное модальное взаимодействие продольных и изгибных колебаний балочного резонатора при периодическом тепловом нагружении. Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия 9 (67), вып. 2, 317-337 (2022). https://doi.org/10.21638/spbu01.2022.212
21. Морозов Н. Ф., Индейцев Д. А., Лукин А. В., Попов И. А., Штукин Л. В. О термооптическом возбуждении параметрических колебаний микробалочных резонаторов. I. Вестник Санкт- Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия 10 (2), 315-333 (2023). https://doi.org/10.21638/spbu01.2023.212
References
1. Vorobyev R. I., Sergeichev I.V., Karabutov A.A., Mironova E.A., Savateeva E.V., Akhatov I. Sh. Application of the Optoacoustic Method to Assess the Effect of Voids on the Crack Resistance of Structural Carbon Plastics. Acoust. Phys. 66, 132-136 (2020). https://doi.org/10.1134/S1063771020020153
2. Yan G., Raetz S., Chigarev N., Blondeau Ja., Gusev V. E., Tournat V. Cumulative fatigue damage in thin aluminum films evaluated non-destructively with lasers via zero-group-velocity Lamb modes. NDT & E International 116, 102323 (2020). https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2020.102323
3. Pan Yu., Rossignol C., Audoin B. Acoustic waves generated by a laser line pulse in cylinders; Application to the elastic constants measurement. J. Acoust. Soc. Am. 115 (4), 1537-1545 (2004). https://doi.org/10.1121/1.1651191
4. Chow G., Uchaker E., Cao G., Wang Ju. Laser-induced surface acoustic waves: An alternative method to nanoindentation for the mechanical characterization of porous nanostructured thin film electrode media. Mechanics of Materials 91, 333-342 (2015). https://doi.org/10.1016/J.MECHMAT.2015.10.005
5. Champion A., Bellouard Y. Direct volume variation measurements in fused silica specimens exposed to femtosecond laser. Optical Materials Express 2, 789-798 (2012). https://doi.org/10.1364/OME.2.000789
6. Otsuka P.H., Mezil S., Matsuda O., Tomoda M., Maznev A.A., Gan T., Fang N., Boechler N., Gusev V.E., Wright O.B. Time-domain imaging of gigahertz surface waves on an acoustic metamaterial. New Journal of Physics 20, 013026 (2018). https://doi.org/10.1088/1367-2630/AA9298
7. Li C., Guan G., Zhang F., Nabi G., Wang R.K., Huang Z. Laser induced surface acoustic wave combined with phase sensitive optical coherence tomography for superficial tissue characterization: a solution for practical application. Biomedical Optics Express 5 (5), 1403-1418 (2014). https://doi.org/10.1364/BOE.5.001403
8. Phinney L.M., Klody K.A., Sackos Jo.T., Walraven Je.A. Damage of MEMS thermal actuators heated by laser irradiation. Reliability, Packaging, Testing and Characterization of MEMS/MOEMS IV. Proceedings of MOEMS-MEMS Micro and Nanofabrication, 2005, San Jose, 5716, 81-88 (2005). https://doi.org/10.1117/12.594408
9. Serrano J. R., Phinney L.M. Displacement and Thermal Performance of Laser-Heated Asymmetric MEMS Actuators. Journal of Microelectromechanical Systems 17 (1), 166-174 (2008). https://doi.org/10.1109/JMEMS.2007.911945
10. Mai A., Bunce C., H¨ubner R., Pahner D., Dauderstadt U.A. In situ bow change of Al-alloy MEMS micromirrors during 248-nm laser irradiation. Journal of Micro/Nanolithography, MEMS and MOEMS 15 (3), 035502 (2016). https://doi.org/10.1117/1.JMM.15.3.035502
11. Zook J.D., Burns D.W., Herb W. R., Guckel H., Kang J.W., Ahn Y. Optically excited self-resonant microbeams. Sensors and Actuators A: Physical 52 (1), 92-98 (1996). https://doi.org/10.1016/0924-4247(96)80131-2
12. Yang T., Bellouard Y. Laser-induced transition between nonlinear and linear resonant behaviors of a micromechanical oscillator. Phys. Rev. Applied 7, 064002 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.7.064002
13. Dolleman R. J., Houri S., Chandrashekar A., Alijani F., van der Zant H. S. J., Steeneken P.G. Opto-thermally excited multimode parametric resonance in graphene membranes. Sci. Rep. 8, 9366 (2018). https://doi.org/10.1038/s41598-018-27561-4
14. Zehnder A.T., Rand R.H., Krylov S. Locking of electrostatically coupled thermo-optically driven MEMS limit cycle oscillators. International Journal of Non-Linear Mechanics 102, 92-100 (2018). https://doi.org/10.1016/J.IJNONLINMEC.2018.03.009
15. Bhaskar A., Shayak B., Rand R.H., Zehnder A.T. Synchronization characteristics of an array of coupled MEMS limit cycle oscillators. International Journal of Non-Linear Mechanics 128, 103-634 (2021). https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2020.103634
16. Morozov N.F., Indeitsev D.A., Lukin A.V., Popov I.A., Privalova O.V., Shtukin L.V. Stability of the Bernoulli-Euler Beam in coupled electric and thermal fields. Dokl. Phys. 63, 342-347 (2018). https://doi.org/10.1134/S1028335818080086
17. Morozov N.F., Indeitsev D.A., Lukin A.V., Popov I.A., Privalova O.V., Semenov B.N., Shtukin L.V. Bernoulli- Euler beam under action of a moving thermal source: characteristics of the dynamic behavior. Dokl. Phys. 64, 185-188 (2019). https://doi.org/10.1134/S1028335819040050
18. Morozov N.F., Indeitsev D.A., Lukin A.V., Popov I.A., Privalova O.V., Shtukin L.V. Stability of the Bernoulli-Euler Beam under the action of a moving thermal source. Dokl. Phys. 65, 67-71 (2020). https://doi.org/10.1134/S102833582002007X
19. Morozov N.F., Indeitsev D.A., Lukin A.V., Popov I.A., Shtukin L.V. Nonlinear interaction of longitudinal and transverse vibrations of a rod at an internal combinational resonance in view of opto-thermal excitation of N/MEMS. Journal of Sound and Vibration 509, 116247 (2021). https://doi.org/10.1016/j.jsv.2021.116247
20. Morozov N.F., Indeitsev D.A., Lukin A.V., Popov I.A., Shtukin L.V. Nonlinear modal interaction between longitudinal and bending vibrations of a beam resonator underperiodic thermal loading. Vestnik of Saint Petersburg University. Mathematics. Mechanics. Astronomy 9 (67), iss. 2, 317-337 (2022). https://doi.org21638/spbu01.2022.212 (In Russian) [Engl. trans.: Vestnik St. Petersburg University, Mathematics 55, iss. 2, 212-228 (2022). https://doi.org/10.1134/S106345412202008X].
21. Morozov N.F., Indeitsev D.A., Lukin A.V., Popov I.A., Shtukin L.V. On optothermally excited parametric oscillations of microbeam resonators. I. Vestnik of Saint Petersburg Universitу Mathematics. Mechanics. Astronomy 10 (68), iss. 2, 315-333 (2023). https://doi.org/10.21638/spbu01.2023.212 (In Russian) [Engl. trans.: Vestnik St. Petersburg University, Mathematics 56, iss. 2, 231-244 (2023) https://doi.org/10.1134/S1063454123020127].
Загрузки
Опубликован
23.12.2023
Как цитировать
Морозов, Н. Ф., Индейцев, Д. А., Лукин, А. В., Попов, И. А., & Штукин, Л. В. (2023). О термооптическом возбуждении параметрических колебаний микробалочных резонаторов. II. Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия, 10(4), 632–649. https://doi.org/10.21638/spbu01.2023.404
Выпуск
Раздел
К юбилею А. К. Беляева
Лицензия
Статьи журнала «Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия» находятся в открытом доступе и распространяются в соответствии с условиями Лицензионного Договора с Санкт-Петербургским государственным университетом, который бесплатно предоставляет авторам неограниченное распространение и самостоятельное архивирование.
