回音壁微腔的光学特性与传感应用研究

发布时间：2020-08-02 11:20

【摘要】：近年来,微纳结构光子器件发展迅速,这种器件具有对光进行感知、传输、操控等诸多功能,回音壁模式(WGM)微腔是其中之一,它具有品质因子极高、模式体积小、能够极大地促进光与物质的相互作用等优点,在量子通信、非线性光学、极窄带滤波、各种物理量的传感等领域具有很好的应用前景。随着微纳加工工艺的逐步提高,回音壁微腔已经开始向小型化、器件化的实际应用方向发展。本文针对回音壁微腔的光学特性及其传感应用中存在的相关问题进行研究,主要包括WGM微腔与光纤锥耦合系统的理论模型,耦合波方程及其求解,相位/尺寸匹配问题,微球腔、微柱腔与光纤锥的耦合特性与封装技术,并对WGM微腔在高灵敏度气体、折射率传感领域的应用进行了研究。所做得研究内容和取得的研究成果如下:(1)基于光波的电磁场理论,表征WGM微腔的几个关键的物理参量,以微球腔与微柱腔及其和光纤锥耦合的理论模型,分析讨论了微腔的尺寸以及微腔与波导耦合间距对耦合特性的影响规律,为后续实验奠定了理论基础。提出了微球腔和微柱腔的电弧放电制备有效方法,用热拉法制备了锥区直径2微米并满足绝热近似条件的光纤锥结构,搭建耦合系统,得到了微腔与光纤锥的回音壁模式谐振谱,同时验证了理论模拟结果。(2)提出了一种新的耦合系统封装方案。微腔与波导的高效、稳定耦合是目前回音壁模式研究领域中的一个难题。针对这一问题,我们设计并制作了一个具有特殊结构的亚克力材质基底,结合紫外胶在不影响微腔/光纤锥耦合系统的前提下,实现了回音壁模式微腔的高效率封装。并对封装后器件的谐振谱进行了测试,结果表明封装工艺基本不会对耦合效率产生影响,封装后的耦合系统仍然保持了10~5的高品质因子。(3)针对高灵敏度传感领域的应用需求,试制了基于WGM微球谐振腔型湿度传感器和微柱谐振腔型氨气传感器。对传感器的湿敏特性、长时间稳定性、以及温度对传感器的影响进行了系统的分析。对海藻酸钙的湿敏特性和引入湿度传感可行性进了研究,结果表明,与传统湿敏材料相比,海藻酸钙具有更好的湿敏特性并且结构稳定,耐高温。基于此提出了海藻酸钙包覆的微球谐振腔湿度传感器,分析了传感器谐振谱的FSR、Q值特征、镀膜厚度对Q值得影响,进行了实验验证,根据理论和测量结果计算了传感器的最小分辨率等性能。针对超低浓度氨气检测的特点和需求,提出了基于硅胶涂覆的微柱谐振腔型氨气传感器,并对传感器的响应时间、光谱漂移规律、稳定性和重复性等性能进行分析和讨论,结果表明,该传感器能够实现对空气中氨气的高灵敏度检测。
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O43
【图文】：

微腔,光子晶体

了光场与原子的强相互作用。但是，FP 微腔存在显而易见的缺点，其 Q 值相对于其他微腔偏低，常见的 FP 型微腔的 Q 值最高也只能达到 103左右。为了提高微腔的 Q 值，研究者们尝试寻找其他形式的微谐振腔。其中，基于光子晶体中的缺陷而工作的光子晶体微腔，成为了人们研究的热点。我们知道，光子晶体是可以人为设计和制造的折射率可梯度变化的介质材料。其周期性的结构能够产生光子带隙，从而对传输的光进行调制。当人为的在光子晶体中通过掺杂等方式加入一些微小缺陷后，其光子带隙被打破，特定频段的光能够通过并发生谐振，从而实现微谐振腔的功能。由于光子晶体微腔可以人为设计和控制，所以我们在一定程度上可以得到不同形状的微腔，并且实现对谐振频率的选择。因此，该类型微腔在很多领域得到了广泛的应用，比如各种特种激光器[46-48]、高灵敏度传感器[49,50]以及光频率梳[51]和滤波器[52]等等。但是，受制于现有微加工工艺的精度以及微腔本身的结构特点，该类型微腔的 Q 值依然不高（最高大约为 105），并且在与其他光电子器件进行集成时，耦合损耗偏大，导致耦合效率很低，在应用方面存在一定的局限性。

圣保罗,大教堂,弧形,光纤锥

西北大学博士学位论文材料损耗的极限。1997 年，人们利用熔融热拉法得到了微米量级光滑的光纤锥，从而得到了 WGM 模式中的高效率耦合器件。微米量级的光纤锥使得光纤中的够以倏逝场的形式在空气中传播，从而能够将光以很高的效率耦合进入微腔，实高达 99.7％的耦合效率。与此同时，热拉法制备光纤锥工艺相对简单，使得光学振腔的加工和研究门槛大幅度降低，各领域研究者们可以在此基础上开展大量的，直接推动了光学微谐振腔的快速发展。

全内反射,光波,声波,热拉法

逝场的形式在空气中传播，从而能够将光以很高的效率耦合进入微9.7％的耦合效率。与此同时，热拉法制备光纤锥工艺相对简单，使加工和研究门槛大幅度降低，各领域研究者们可以在此基础上开展推动了光学微谐振腔的快速发展。图 2 圣保罗大教堂弧形墙壁

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