基于回音壁模式微腔光学特性的研究
发布时间：2021-11-25 12:10
近年来,随着微型化和集成化技术的发展,光学微腔得到了很多人的关注,其中由于回音壁模式（Whispering Gallery Mode,WGM）微腔具备小模式体积、高品质因子等优点在Fabry-Perot腔和光子晶体微腔中脱颖而出。WGM微腔在很多领域（例如微型激光器、高精度传感器以及非线性光学等）得到了广泛的研究,但是回音壁模式微腔也存在一些很明显的弊端:回音壁模式耦合的谐振特性容易受到外界环境的影响（例如外界温度以及微小的灰尘等）,使得WGM现在还是仅仅处于实验室阶段,距离实用化还有一段时间。本文主要针对WGM光学微腔的一些基本参数特性（如品质因子、自由光谱范围、谐振波长等）进行理论和实验研究,通过模拟和仿真研究更清晰的了解其特性。本文的主要研究内容有:简述了WGM微腔的研究背景和意义,并针对不同参数对微腔进行了分类,并介绍了WGM微腔的国内外研究现状。介绍了WGM微腔的基本理论,详细介绍了基本参数并分析各类参数对结构的影响,然后从麦克斯韦方程组出发分析了微球腔以及微管腔腔内的本征模式,介绍了几类不同的微腔耦合方式并针对光纤锥耦合方式进行了具体的分析。用R-soft软件对微腔与光纤锥...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
a)圣保罗大教堂图片[5]b)北京天坛图片
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-同时单向最大功率输出达到了223μW[31]。随后基于平面波导耦合的SiO环形腔、SiN环形腔等的光学频率梳逐渐被学者们发现，这些发现极大的促进了非线性光学领域研究的进步和发展。光学微腔也有一些需要解决的问题：由于腔体对外界环境过于敏感，控制变量法进行试验可能会受到外界非实验参数的影响；大部分的微腔都是与光纤锥进行耦合的，这种耦合方式极其不稳定，外界一个微小的变动都会受到影响。且耦合过程只有在高精度的显微平台上才能进行，也不利于规模性的生产，同时封装方法的不同也会对耦合结果产生影响，因此在接下来的研究中需要更多的关注这些问题。1.3国内外研究现状回音壁模式的谐振波长会受到微腔尺寸地影响，在刚开始研究时，微腔的尺寸由于大环境的限制只能达到厘米的量级而无法得到更小量级的微腔，基于这个原因，在1961年，Garrett等人[32]首次利用CaF2晶体成功制备出微波波段的谐振腔，同时完成了在回音壁模式内的微波激射[5]，这一研究结果使人们慢慢地注意到这一类型的微腔结构。2006年，浙江大学的XSJiang等人[33]制备了一种可输出1.5μm波长的微型光纤激光器，它是通过在空气中把掺杂的光纤拉紧成一个直径为2mm的结形成的。这个2mm的结由直径为3.8μm的超细光纤（直接从掺铒钇磷酸盐玻璃中提取）组装而成，既可用作激射的活性介质，也可用作共振腔，微型激光器的结构示意图如下图1-3所示。结果得到了阈值在5mW左右，输出功率大于8W的单纵模激光器。此实验的初步结果提出了一种基于掺杂微尺度光纤的高密度激光器的简单方法，可以对以后的研究产生帮助。图1-3微环形光纤激光器示意图插图：玻璃微纤维结显微镜图像[33]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-6-2006年，密苏里哥伦比亚大学的IMWhite等人[34]提到了一种基于液芯光学环形谐振腔（LCORR）的新型传感器结构，将携带水样的熔融石英毛细管充当环形谐振腔的作用。将LCORR的壁厚控制在几个微米左右，以使回音壁模式暴露在水芯中，LCORR传感器概念图以及截面图如下图1-4所示。利用水-乙醇混合物对LCORR传感器的光学特性进行了研究，结果表明LCORR传感器的光谱灵敏度约为2.6nm/RIU。图1-4LCORR传感器的概念图及横截面放大图[34]2007年，IMWhite等人[35]利用光流体环共振器平台开发了具有集成微流体的基于SERS（表面增强拉曼散射）的检测工具。他们是用微管腔制备的激光器，液芯光学环形共振器既用作微流体样品传输机制，又用作环形共振器，在金属纳米团簇和目标分析物通过通道时激发它们。使用这种共振器的方法并将罗丹明6G用作分析物，达到了400pm的测量检测极限。同时测得的拉曼信号可能仅仅由几百个罗丹明6G分子便可产生，这预示着基于SERS的芯片实验室生物和化学传感器的发展，该传感器能够检测少量目标分析物分子，实验图片如下图1-5所示。图1-5拉曼散射的模拟图左)显微镜下耦合图右)[35]2012年，复旦大学的LQRen等人[18]制备了耦合的光流体环形激光传感器，并证明了其超灵敏的体折射率和表面质量感测特性。该传感器由一个圆柱环形激光器和一个薄壁毛细管环形谐振器组成，实验模拟图以及装置图如下图1-6所示。由于游标效应的存在，一个环的折射率随样品发生变化，另一个环也随之变化，可
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于玻璃材料的微球激光器的研究进展[J]. 李昂震,王鹏飞. 激光与光电子学进展. 2019(17)
[2]Bismuth-doped glass microsphere lasers[J]. ZAIJIN FANG,SíLE NIC CHORMAIC,SHANYU WANG,XIN WANG,JIBO YU,YUXUAN JIANG,JIANRONG QIU,PENGFEI WANG. Photonics Research. 2017(06)
[3]回音壁模式光学微腔:基础与应用[J]. 邹长铃,董春华,崔金明,孙方稳,杨勇,吴晓伟,韩正甫,郭光灿. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2012(11)
博士论文
[1]回音壁微腔的光学特性与传感应用研究[D]. 梁磊.西北大学 2019
[2]高Q值回音壁模式光学微腔研究与实现[D]. 张辉.太原理工大学 2016
[3]回音壁模式微腔的耦合特性与封装技术研究[D]. 董永超.中国科学技术大学 2016
[4]基于飞秒激光微纳加工的回音壁模式谐振腔的研究[D]. 库进锋.吉林大学 2015
硕士论文
[1]全光纤回音壁谐振腔波长调谐技术研究[D]. 刘雷光.重庆大学 2018
[2]回音壁模式球微腔的制备及其应用研究[D]. 王聪.浙江师范大学 2015
本文编号：3518113
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
a)圣保罗大教堂图片[5]b)北京天坛图片
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-同时单向最大功率输出达到了223μW[31]。随后基于平面波导耦合的SiO环形腔、SiN环形腔等的光学频率梳逐渐被学者们发现，这些发现极大的促进了非线性光学领域研究的进步和发展。光学微腔也有一些需要解决的问题：由于腔体对外界环境过于敏感，控制变量法进行试验可能会受到外界非实验参数的影响；大部分的微腔都是与光纤锥进行耦合的，这种耦合方式极其不稳定，外界一个微小的变动都会受到影响。且耦合过程只有在高精度的显微平台上才能进行，也不利于规模性的生产，同时封装方法的不同也会对耦合结果产生影响，因此在接下来的研究中需要更多的关注这些问题。1.3国内外研究现状回音壁模式的谐振波长会受到微腔尺寸地影响，在刚开始研究时，微腔的尺寸由于大环境的限制只能达到厘米的量级而无法得到更小量级的微腔，基于这个原因，在1961年，Garrett等人[32]首次利用CaF2晶体成功制备出微波波段的谐振腔，同时完成了在回音壁模式内的微波激射[5]，这一研究结果使人们慢慢地注意到这一类型的微腔结构。2006年，浙江大学的XSJiang等人[33]制备了一种可输出1.5μm波长的微型光纤激光器，它是通过在空气中把掺杂的光纤拉紧成一个直径为2mm的结形成的。这个2mm的结由直径为3.8μm的超细光纤（直接从掺铒钇磷酸盐玻璃中提取）组装而成，既可用作激射的活性介质，也可用作共振腔，微型激光器的结构示意图如下图1-3所示。结果得到了阈值在5mW左右，输出功率大于8W的单纵模激光器。此实验的初步结果提出了一种基于掺杂微尺度光纤的高密度激光器的简单方法，可以对以后的研究产生帮助。图1-3微环形光纤激光器示意图插图：玻璃微纤维结显微镜图像[33]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-6-2006年，密苏里哥伦比亚大学的IMWhite等人[34]提到了一种基于液芯光学环形谐振腔（LCORR）的新型传感器结构，将携带水样的熔融石英毛细管充当环形谐振腔的作用。将LCORR的壁厚控制在几个微米左右，以使回音壁模式暴露在水芯中，LCORR传感器概念图以及截面图如下图1-4所示。利用水-乙醇混合物对LCORR传感器的光学特性进行了研究，结果表明LCORR传感器的光谱灵敏度约为2.6nm/RIU。图1-4LCORR传感器的概念图及横截面放大图[34]2007年，IMWhite等人[35]利用光流体环共振器平台开发了具有集成微流体的基于SERS（表面增强拉曼散射）的检测工具。他们是用微管腔制备的激光器，液芯光学环形共振器既用作微流体样品传输机制，又用作环形共振器，在金属纳米团簇和目标分析物通过通道时激发它们。使用这种共振器的方法并将罗丹明6G用作分析物，达到了400pm的测量检测极限。同时测得的拉曼信号可能仅仅由几百个罗丹明6G分子便可产生，这预示着基于SERS的芯片实验室生物和化学传感器的发展，该传感器能够检测少量目标分析物分子，实验图片如下图1-5所示。图1-5拉曼散射的模拟图左)显微镜下耦合图右)[35]2012年，复旦大学的LQRen等人[18]制备了耦合的光流体环形激光传感器，并证明了其超灵敏的体折射率和表面质量感测特性。该传感器由一个圆柱环形激光器和一个薄壁毛细管环形谐振器组成，实验模拟图以及装置图如下图1-6所示。由于游标效应的存在，一个环的折射率随样品发生变化，另一个环也随之变化，可
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于玻璃材料的微球激光器的研究进展[J]. 李昂震,王鹏飞. 激光与光电子学进展. 2019(17)
[2]Bismuth-doped glass microsphere lasers[J]. ZAIJIN FANG,SíLE NIC CHORMAIC,SHANYU WANG,XIN WANG,JIBO YU,YUXUAN JIANG,JIANRONG QIU,PENGFEI WANG. Photonics Research. 2017(06)
[3]回音壁模式光学微腔:基础与应用[J]. 邹长铃,董春华,崔金明,孙方稳,杨勇,吴晓伟,韩正甫,郭光灿. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2012(11)
博士论文
[1]回音壁微腔的光学特性与传感应用研究[D]. 梁磊.西北大学 2019
[2]高Q值回音壁模式光学微腔研究与实现[D]. 张辉.太原理工大学 2016
[3]回音壁模式微腔的耦合特性与封装技术研究[D]. 董永超.中国科学技术大学 2016
[4]基于飞秒激光微纳加工的回音壁模式谐振腔的研究[D]. 库进锋.吉林大学 2015
硕士论文
[1]全光纤回音壁谐振腔波长调谐技术研究[D]. 刘雷光.重庆大学 2018
[2]回音壁模式球微腔的制备及其应用研究[D]. 王聪.浙江师范大学 2015
本文编号：3518113
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