单微米颗粒中的回音壁模式及其传感应用研究

发布时间：2020-06-03 10:23

【摘要】：微球谐振腔作为一种典型的回音壁模式微腔,拥有极高的品质因子(Q值)与极小的模式体积,在新型微光子器件中得到了极其广泛的应用,对基础研究和应用研究都是非常理想的平台。本文对化学方法制备的单二氧化硅微米颗粒中回音壁模式进行了相关的理论与实验研究,并提出了一种基于单微粒谐振腔的全纤微位移传感器。本文的研究内容主要包括:介绍了回音壁模式光学微腔的发展历史,主要介绍了回音壁模式微球谐振腔的相关研究进展,理论分析了微球谐振腔中的光场分布,介绍了作为光信号耦合器的微纳光纤相关原理,并对耦合系统进行了理论分析与数值仿真模拟。提出了一种激发及观测单微粒谐振腔中回音壁模式的方案。介绍了这种方法的工作原理,直接基于单微粒附着的微纳光纤构建了成本低廉、紧凑且相对稳定的耦合系统。实验观测了直径约10.6μm的二氧化硅单微粒谐振腔中的回音壁模式,得到了Q值约450,最大消光比超过15 dB的透射谱。设计制作了基于单微粒谐振腔的全纤微位移传感器。基于该微腔中的回音壁模式,弯曲单模光纤中的双折射效应对信号光偏振态的影响从而实现对微位移的检测,并实验验证了该器件工作性能的可逆性与可重复性。实验结果表明该传感器最大灵敏度为33.5 dB/mm,测量分辨率可达10μm,测量范围超过400μm。
【图文】：

示意图,回音壁模式,基本原理,示意图

也就是我们所说的回音壁模式。回音壁模式的基本原理示意图如图1-1 所示，我们知道当光从高折射率介质入射到低折射率介质时并且入射角满足一定条件时，光线会在介质交界处发生全反射。基于这个原理，在回音壁模式谐振腔中，由

微球腔,回音壁模式,微腔

我们已制备的几种回音壁模式微腔：(a)微球腔。(b)微管腔。(c)微泡腔。(d)微三维结构的回音壁模式微腔中，微球腔是最简单常见的结构。微球光纤锥的尖端制备而成的几十至几百微米大小的二氧化硅球型谐振简单之外，微球腔的光学特性也与片上波导微腔有着很大的不同。相比，微球腔能够激发出由赤道向、径向等共同限制的十分复杂的也具有极小的光学损耗，因此具有极高的 Q 值(108-1010)，这导致微量密度与极窄的谐振线宽[38]。壁模式微球腔的应用模式微腔由于制备材料以及制备方法的不同可以具有不同的形状、同时，回音壁模式微腔具有很高的 Q 值以及很小的模式体积，，因此器件的制备中，包括超高灵敏度的应力探测[39, 40]、折射率计[41, 42]、光波导[45, 46]、滤波器[47]、微腔激光器[48, 49]、温度传感器[50]等。同时
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212;TN751.2

【参考文献】