基于高品质法布里—珀罗微腔的光微流激光产生及特性研究

发布时间：2017-05-14 19:21

  本文关键词：基于高品质法布里—珀罗微腔的光微流激光产生及特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,新兴的光微流激光技术已经成为制作芯片式光子设备和化学生物传感器的科技平台。目前,已经有多种光微流谐振腔应用于微流控芯片技术中,包括法布里-珀罗(FP)微腔、分布式反馈光栅、光学环形谐振腔等。其中,FP微腔的优点是容易实现、和微流体有很好的兼容性、可使用任何折射率的增益溶液,比其他类型的微腔更加灵活。同时,FP微腔可以使增益介质与腔内电磁场充分接触,实现体激光出射,在单细胞激光出射及检测等方面具有广泛应用。然而,目前基于FP微腔的光微流激光芯片主要有两个缺点。首先,大部分FP微腔利用金属镀膜的腔镜作为反射镜,反射率较低(理论上最大的反射率约为95%),因此,该类型FP微腔的精细度和品质因子(Q值)较低。第二,通常的FP微腔使用一对平面腔镜形成谐振腔,该腔为介稳腔,在腔与微流控芯片的封装和集成过程中,容易造成倾斜损耗等,使得此腔的精细度和品质因子进一步降低。因此采用一般的FP微腔产生光微流激光时,往往具有较高的激光泵浦阈值。为解决以上问题,本项目围绕高稳定平凹型FP微腔及光微流激光芯片的制备,在低阈值光微流激光的产生等方面做了如下工作:1.采用CO_2激光微加工技术在熔融石英玻璃基底上制备出一系列微凹面型结构,并通过离子束溅射的方法在具有微凹面结构和平面石英玻璃基底上镀制了多层反射介质膜,中心波长的反射率可大于99.9%。随后采用此平面镜和凹面镜构成稳定的平凹型FP微腔,实验测量表明此稳定腔的Q值可达到5.6×105,精细度可达到4×103,比现有的光微流激光FP腔高100多倍。2.利用微流封装技术制备了基于FP微腔的光微流激光芯片,采用溶于无水乙醇的罗丹明6G染料作为增益介质。实验结果表明在平凹型FP微腔中可实现90 nJ/mm2的低激光泵浦阈值,比相同芯片中平面FP微腔的激光泵浦阈值低十倍多;同时,在该芯片上实现了多束光微流激光的出射,即光微流激光阵列产生。随后,通过缩短腔长法,实现了单模光微流激光出射。3.通过改变增益染料的浓度,探测了在平凹型FP微腔中可以实现光微流激光的最低染料浓度。4.以上激光的泵浦方式为直接泵浦,同时研究了间接泵浦情况下光微流激光的产生,即荧光共振能量转移(FRET)光微流激光的产生。在此泵浦方式下,在平凹型FP光微流激光腔中实现了0.48mJ/mm2的低激光泵浦阈值。同时,该泵浦形式也实现了对低浓度物质的检测。本工作将引起以光微流激光为基础的低激光阈值和模体积的新颖光子器件及化学生物传感器的发展。
【关键词】：光微流激光 法布里-珀罗微腔 高品质因子 低激光阈值 荧光共振能量转移
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 引言10-11
• 1.2 研究现状和发展趋势11-13
• 1.2.1 微流控芯片的研究进展11
• 1.2.2 光学微腔在微流控芯片上的应用11-12
• 1.2.3 光学微腔在微流控芯片上的发展趋势12-13
• 1.3 光微流芯片中微腔的分类13-14
• 1.3.1 光子晶体型微腔13
• 1.3.2 回音壁模式型光学微腔13
• 1.3.3 法布里-珀罗型光学微腔13-14
• 1.4 论文内容安排14-16
• 第二章 法布里-珀罗型光学微腔的制备16-28
• 2.1 光微流芯片的基底选择16-17
• 2.2 光微流芯片的加工17-21
• 2.2.1 光微流芯片的加工技术17-18
• 2.2.2 芯片上微凹型面的制作18-21
• 2.3 法布里-珀罗微腔的镀膜21-25
• 2.3.1 高反射膜的分类21
• 2.3.2 周期性多层膜的反射率计算21-23
• 2.3.3 常见的镀膜工艺23
• 2.3.4 镀膜选择23-25
• 2.4 光微流腔的组装25-26
• 2.5 本章小结26-28
• 第三章 法布里-珀罗微腔的性能表征28-32
• 3.1 微腔精细度的表征28-29
• 3.2 微腔精细度分析29-31
• 3.3 本章小结31-32
• 第四章 基于法布里-珀罗微腔的光微流激光产生32-48
• 4.1 微腔低阈值表征32-43
• 4.1.1 光微流激光产生的光谱结果分析33-35
• 4.1.2 光微流激光产生的低阈值分析35-39
• 4.1.3 阵列激光的产生39-40
• 4.1.4 单模激光的产生40-43
• 4.2 不同溶液中光微流激光的表征43-46
• 4.2.1 罗丹明 6G无水乙醇溶液中的激光表征43-44
• 4.2.2 罗丹明 6G去离子水溶液中的激光表征44-45
• 4.2.3 产生激光的最低浓度45-46
• 4.3 本章小结46-48
• 第五章 基于法布里-珀罗微腔的光微流FRET激光产生48-58
• 5.1 理论分析48-50
• 5.2 实验结果分析50-54
• 5.2.1 第一类芯片实验结果50-52
• 5.2.2 第二类芯片实验结果52-54
• 5.3 对弱信号的检测54-56
• 5.4 本章小结56-58
• 第六章 总结与展望58-60
• 6.1 工作总结58
• 6.2 工作展望58-60
• 附录60-64
• 参考文献64-72
• 致谢72-74
• 攻读学位期间发表的学术论文目录74

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本文编号：366061