基于柱型微腔的法诺共振及其应用研究

发布时间：2020-03-25 21:15

【摘要】：回音壁模式(Whispering gallery mode)微腔具有Q值高、模式体积小的优势,在低阈值激光器、非线性光学、生化传感方面具有广泛的应用。近年来,研究人员不断探索基于WGM微腔的光学器件设计、高灵敏度传感器设计,促进了WGM微腔与表面等离子、Fano共振等技术的融合创新。本文首先从理论角度研究了金属包覆柱形微腔的模式特性。从麦克斯韦方程组出发,在三层柱型坐标系模型下推导得出模式特征方程,绘制出金属包覆微腔中的模式色散曲线,并在色散曲线中发现了回音壁模式(WGM)和表面等离子模式(SPP)的耦合现象。并通过对耦合产生的混合WGM-SPP模式进行分析,发现其具有高Q值、高折射率灵敏度、低探测极限以及高FoM等特性,具有非常好的传感应用前景。本文的另一个核心内容是基于柱型微腔的Fano共振激发以及相关应用领域的探索。超细光纤锥能够同时激发出柱型微腔局域化(localized)模式和非局域化模式,在耦合点附近,离散的WGM和连续的背景光相消干涉会产生非对称的Fano共振谱。通过调节耦合强度或者光纤锥直径,可以实现对连续背景光强度的调节,改变离散的共振模式与连续背景光强度的比值(即Fano参数),调节Fano共振的相位以及强度。当1μm的光锥与柱型微腔接触时,会激发出类EIT(electromagnetically induced transparency)的 Fano 共振峰,其拥有 10dB 的消光比,15%的直接透射率,于是我们设计了基于Fano的光学滤波器,并将其应用在光纤激光器上作为选模器件,实现了阈值27.9 mW的波长可调的环形光纤激光器。另外,结合光流控技术,利用微毛细管作为载体,不同浓度的水和酒精混合溶液作为样品,通过在示波器中观察Fano共振谱的波长频移进行传感,可以实现高达800nm/RIU的折射率灵敏度,4192的FoM(Figure of merit)值,具有非常好的传感应用前景。
【图文】：

微腔,回音壁模式,传感结构,谐振腔

图１－１不同形貌的ＷＧＭ微腔的传感结构［４］逡逑回音壁模式（Ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ邋ｇａｌｌｅｒｙ邋ｍｏｄｅ）微腔是一种新型微纳尺度上的谐振腔，逡逑如图１－１所示，，根据物理结构的不同，可以将ＷＧＭ微腔分为微环腔，微球腔，逡逑微柱腔，微盘腔等，但是其工作原理是相同，在极小的封闭空间内，光在一个平逡逑面由于发生循环全反射以谐振模式存在。由于ＷＧＭ微腔具有模式体积小，品质逡逑因子（Ｑ值）高等优点，最近几年成为光学领域研宄的热点之一，其制作材料主逡逑要以二氧化硅，半导体材料等低损耗的材料为主。逡逑回音壁模式最早是在声学研究中所发现的，二十世纪初，英国著名科学家逡逑Ｌ．邋Ｒａｙｌｅｉｇｈ在圣保罗大教堂中发现［５］，人们说话的声音可以通过弯曲的走廊从逡逑一端传播到另一端，这就是回音壁模式名称的由来。类似于声波在墙面上发生反逡逑射

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通过检测共振模式频率的变化，实现对各类环境参量的监测。逡逑１．１．２回音壁模式微腔的发展进程逡逑从图１－２我们可以看出，在２１世纪之前，对于回音壁模式微腔的报道非常逡逑少，相关的刊物也很少面世。回音壁模式微腔的大规模实验研宄始于２１世纪，逡逑但是２０世纪初，Ｍｉｅ等就创建了著名的Ｍｉｅ式散射理论［１３］，即关于微球、微柱逡逑腔的模式理论。Ｍｉｅ散射理论在麦克斯韦方程的基础上给出了柱型和球型微柱的逡逑共振模式的解析解，并分析得出微腔中模式特性和微腔的尺寸以及电磁场的波长逡逑有光，Ｍｉｅ散射理论的建立为深入研宄各种类型微腔的性质奠定了理论基础。逡逑ａ挪却逡逑３２７逡逑；ｊ逦．－１１１逡逑ｖｆｎ邋ｆＭ逦ｔｏｕ邋／ａｔｉ邋ａｘ？邋ｒｏｔ邋．Ｗ邋ｉｉｃｒ邋ａｍ邋／00？邋ｘｆｉｃ－邋．＊ｏｕ邋ａ－ｌ＊逦ｘｍ邋ｊｕｓｔ邋ｘｕ逡逑图１－２邋１９９８－２０１７年刊载ＷＧＭ微腔研宄的出版物统计（数据来自Ｗｅｂ邋ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ）逡逑在ＷＧＭ微腔发展前期，制造工艺还不成熟，微腔的研究大都是基于液滴，逡逑由于表面张力作用，液滴具有天然的光滑边缘和对称性的结构。但是因为其相当逡逑不稳定（难以保存与集成），大大限制了邋ＷＧＭ的进一步发展。２０００年，Ｍ．Ｃａｉ逡逑等首次实现微球腔与光纤锥的临界耦合
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O43

【参考文献】