基于飞秒激光微纳加工的回音壁模式谐振腔的研究

发布时间：2020-07-01 21:06

【摘要】：光沿着腔的边缘利用全内反射（Total Internal Reflection， TIR）传播，如果光绕谐振腔一圈的光程刚好是其波长的整数倍，那么就会形成驻波。我们通常把这种驻波的模式称为回音壁模式（Whispering Gallery Mode， WGM），而这种腔我们通常叫做回音壁模式谐振腔。回音壁模式谐振腔具有极高的品质因子和极小的模式体积，它的应用最主要就是基于以上两点的。正是因为如此，自1911年由Lord Rayleigh提出回音壁模式这一概念之后，学者对它进行了不断的研究。本文中，我们的主要工作就是利用飞秒激光微纳加工制备回音壁模式谐振腔，并研究它们的应用。本文的主要内容包括： 1.回音壁模式微盘激光器的制备。在此工作中，我们首先配制了具有增益材料的光刻胶。SU8光刻胶用环戊酮稀释，而罗丹明B溶解于乙醇溶液中，最后将两者均匀混合，形成罗丹明B占质量比1%的掺杂SU8光刻胶。其次搭建了皮秒激光泵浦测试系统。泵浦光源使用的是1064nm倍频后的532nm激光器，其脉宽为15皮秒，重复频率为50KHz。测试发现，微盘激光器的阈值很低，其阈值小于1mw，同时它的激射峰线宽很窄，只有0.38nm。不仅如此，在微环、微椭圆、多边形等谐振腔上也都测试获得了激射现象。 2.回音壁模式双盘耦合单模激光器。第一部分工作里的激光器工作模式比较多，但是实际应用中主要还是用单模激光器的。在微结构中实现单模并不容易，有人利用减小谐振腔的尺寸、使用分布式布拉格反射结构等手段也能实现单模输出，不过各自都有缺陷。本文利用两个不同直径的微盘上下叠加边缘对齐的结构，实现了单模输出。这种结构工作时，只有波长同时满足两个谐振腔的谐振条件才能在该耦合腔中谐振。该单模激光器不仅结构简单，尺寸很小，便于集成，而且其品质因子很高，激射峰的线宽很窄，只有0.25nm。 3.回音壁模式谐振腔传感器。本部分工作分为两个部分，第一部分的工作利用的是单盘谐振实现其传感特性。当光在回音壁模式谐振腔内部传播的过程中，有一部分光以消逝场的形式存在于谐振腔的外部。而当谐振腔周围的环境折射率发生变化时，这部分消逝场就会跟外界环境发生作用。就是利用这种作用，使得谐振腔内部的模式发生微小的变化，通过测量这一变化即可以进行探测。实验结果表明，该谐振腔的灵敏度为30nm/RIU。由于回音壁模式谐振腔的品质因子非常的高，在这种灵敏度下，这种类型的传感器其检测极限非常低。有报道称，非标识回音壁模式谐振腔能够进行单分子测量。第二部分的工作是双盘耦合谐振腔的传感研究工作。该谐振腔的微盘也是通过消逝场与外界联系的，所不同的是该系统中两个不同直径的微盘之间会发生相互的作用。与游标卡尺工作原理类似，利用两个微盘的自由光谱区不同，与外界作用后其谐振波长的变化也不同，达到传感目的。测试表明，该谐振腔的灵敏度达到500nm/RIU，相较于单盘传感器，其灵敏度提高了一个数量级。 4.理论及模拟工作。在本论文的第二章，我们具体讲解了使用几何光学法和电磁理论两种方法分别计算得到了回音壁模式谐振腔内的光场分布以及回音壁模式的一些特征。并且使用Rsoft软件对微盘激光器、回音壁模式双盘耦合单模激光器、单盘谐振腔的传感分别进行了模拟，与实验结果进行对比，两者相互验证正确性。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN248
【图文】：

回音壁模式,微腔,耦合方式,光纤锥

拼接设备或者特定的圆柱形微炉也可以用于制备光纤锥。一个合格的光纤锥腰直径可以小到 1 微米，这样可以使得光纤锥里的模式明显的延伸到光纤周去从而更容易的与谐振器进行耦合。这种光纤锥典型的锥长可以达到 1 厘米要注意的是由于光纤锥的锥部分非常的细，因此十分脆弱，很容易坏。1.4.2集成波导耦合器集成波导耦合器如图 1.1（b）所示是由一个直波导和一个回音壁模式微谐腔组成的。波导需要精心的设计使得它的消逝场与微腔有重叠。要想高效的合是非常困难的，因此需要非常细心的对齐，不过这个系统要比光纤锥耦合统要更加紧凑也更显集成性。图 1.1 回音壁模式微腔中几种常见的耦合方式。（a）光纤锥耦合；（b）集成波导耦合器；（c）棱镜耦合系统；（d）光纤抛光耦合器。

滤波器图,单通道,双通道,滤波器

§1.5回音壁模式的应用§1.5.1无源回音壁模式微谐振腔的应用（1）光学单谐振腔滤波器最简单的基于谐振腔滤波器就是一个回音壁模式谐振腔加上一个光器，比如棱镜耦合器，波导等，如图 1.2 所示。对于图 1.2（a）这样的滤我们可以描述为00( )( )cciTi (1-11)此处T 代表的是透射的强度，是吸收线宽，c 是耦合线宽，0 是谐

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