Nonlinear micro/nano-optomechanical oscillators for energy transduction from IR sources

Abstract

En aquesta tesi es proposa un nou dispositiu que combina antenes òptiques i micro/nanoestructures mecàniques amb l'objectiu de transformar energia electromagnètica en energia mecànica. El principal objectiu de la feina realitzada és l'estudi dels mecanismes de transducció implicats. El principi de funcionament d'aquest nou dispositiu es pot resumir de la manera següent: les antenes absorbeixen la radiació electromagnètica en l'espectre infraroig i la transformen en una distribució de temperatura en l'estructura mecànica, a causa de les propietats tèrmiques del material estructural la resposta tèrmica es converteix en una deflexió mecànica que eventualment pot conduir a l'autooscil·lació del dispositiu. Donades les transformacions d'energia involucrades, el modelatge de les físiques acoblades esdevé un pas fonamental per tal de dissenyar, fabricar i caracteritzar un dispositiu de prova de concepte. La conversió d'energies es demostra que és més eficient quan el dispositiu autooscil·la. No obstant això, a causa de la naturalesa altament no lineal d'aquest fenomen, saber exactament si aquesta oscil·lació es pot aconseguir utilitzant el dispositiu de prova de concepte implica caracteritzar-lo físicament per tal d'aplicar el model desenvolupat.

In this thesis, a new device merging optical antennas and micro/nano-mechanical structures is proposed with the aim to transform electromagnetic energy into mechanical energy. The study of the involved transduction mechanisms is the main objective of the presented work. The working principle of this new device can be summarized as follows: the antennas acting as absorbers in the infrared spectrum capture the electromagnetic radiation and transform it into a temperature field in the mechanical structure. Due to the thermal properties of the structural material the thermal response is converted to a mechanical deflection which eventually can lead to the self-oscillation of the device. Given the involved energy transformations, the modeling of the coupled physics becomes a fundamental step in the path of designing, fabricating and characterizing a proof-of-concept device. The energy conversion is shown to be more efficient when the device auto-oscillates. However, due the the highly nonlinear nature of such phenomenon precisely knowing if such oscillation can be achieved using the proof-of-concept device imply its physical characterization in order to apply the developed model.