回音壁模式光学微腔热非线性效应及其折射率调制特性
发布时间：2020-12-19 06:06
回音壁模式光学微腔由于其超高的品质因数和极小的模式体积,使之成为研究光与物质相互作用的典型器件,得到广泛关注。本文针对高Q值回音壁模式光学微腔内的热非线性光学效应,特别是在微腔模式理论、器件制作工艺、微腔热动力学模型与热振荡现象、微腔折射率调制等方面开展了深入细致的理论和实验研究。主要研究内容如下:1、结合解析法和有限元方法,求解微球腔和微盘腔内回音壁模式的场分布,给出了微腔谐振频率和模式体积的近似解析算法,分析了微腔各种损耗机制对品质因数的影响。建立了锥形光纤与光学微球耦合数学模型,详细分析了其近场耦合相位匹配条件,以及欠耦合、临界耦合、过耦合状态对微腔Q值和透过谱的影响。2、搭建锥形光纤拉伸系统,研究了锥形光纤和微球腔的制作工艺,通过工艺优化制备了高精度的低损耗锥形光纤(小于0.3d B)和高Q值二氧化硅微球腔(107~108),搭建了微腔测试平台;研究了二氧化硅微盘的批量化制作工艺技术,提出了减小表面粗糙度的工艺措施,研制出表面粗糙度达到1.7nm硅衬底二氧化硅微盘。3、详细分析了微腔内热非线性过程,首次同时考虑微腔内的两个散热过程,修正了微腔热动力学模型,分析了不同扫描速度下两...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
（a）纽约圣堡罗大教堂和（b）北京天坛回音壁(a)
图 1. 2 最典型几种微腔结构（a）二氧化硅微球腔 Q 值 109[22]（b）氟化钙微盘腔 Q 值 1011[10（c）硅微盘腔 Q 值 106[23]（d）二氧化硅微盘腔 Q 值 107[25]（e）二氧化硅超微环腔 Q 值 108[26（f）超高 Q 二氧化硅微盘腔 Q 值 109[29]1.1.2 回音壁光学微腔的应用随着光学微腔制备工艺的成熟，光学微腔在越来越多的领域得到应用。近年来在低阈值激光器[30-33]、高灵敏度生化传感[34-37]、声光耦合[38-42]、腔量子电动力学[43-45]等领域都取得了丰硕成果。如图 1.3 所示是微腔在各领域中成功的应用，（a）2002 年 Vahala 课题组在锥形光纤耦合的镱铒共掺磷酸盐玻璃微球中实现了低阈值的激光发射，阈值为 60μw[33]；（b）显示了最近加州理工大学 Takao Aok等人在实验中实现了单个铯原子和微环腔的强耦合[46]；（c）2008 年哈佛大学Frank Vollmer 报道的利用高 Q 值微球腔实现了单分子检测[35]；（d）2011 加州理工学院 Lu Tao 等人利用微环腔实现了直径为 12.5nm 的纳米颗粒的检测[47]。
图 1. 3 光学微腔广泛的应用领域（a）低阈值微腔激光（b）铯原子与微腔耦合（c）高灵敏度生物检测（d）单纳米粒子探测1.2 微腔内非线性光学的研究1.2.1 非线性光学的研究意义如果在我们周围所发生的所有物理现象全都是线性的，那么物理学就会非常之单调，而生活也会显得极其枯燥无味。幸运的是，我们生活在一个非线性的世界里，线性化使物理的规律看起来显得简单优美，然而非线性却使光学世界变得如此奇妙、丰富多彩，充满了令人兴奋的内容[48]。物质与强光相互作用时，介质对光的响应呈非线性，其根源是物质的非线性极化效应。此时光在介质中传播时会产生新频率，不同频率之间的光波会产生耦合。非线性光学研究范围十分广泛，如光学混频、参量振荡、受激散射、自聚焦、自相位调制等[49]。研究非线性光学的意义的在于：首先，开创了产生强相干光源(c) (d)
本文编号：2925397
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
（a）纽约圣堡罗大教堂和（b）北京天坛回音壁(a)
图 1. 2 最典型几种微腔结构（a）二氧化硅微球腔 Q 值 109[22]（b）氟化钙微盘腔 Q 值 1011[10（c）硅微盘腔 Q 值 106[23]（d）二氧化硅微盘腔 Q 值 107[25]（e）二氧化硅超微环腔 Q 值 108[26（f）超高 Q 二氧化硅微盘腔 Q 值 109[29]1.1.2 回音壁光学微腔的应用随着光学微腔制备工艺的成熟，光学微腔在越来越多的领域得到应用。近年来在低阈值激光器[30-33]、高灵敏度生化传感[34-37]、声光耦合[38-42]、腔量子电动力学[43-45]等领域都取得了丰硕成果。如图 1.3 所示是微腔在各领域中成功的应用，（a）2002 年 Vahala 课题组在锥形光纤耦合的镱铒共掺磷酸盐玻璃微球中实现了低阈值的激光发射，阈值为 60μw[33]；（b）显示了最近加州理工大学 Takao Aok等人在实验中实现了单个铯原子和微环腔的强耦合[46]；（c）2008 年哈佛大学Frank Vollmer 报道的利用高 Q 值微球腔实现了单分子检测[35]；（d）2011 加州理工学院 Lu Tao 等人利用微环腔实现了直径为 12.5nm 的纳米颗粒的检测[47]。
图 1. 3 光学微腔广泛的应用领域（a）低阈值微腔激光（b）铯原子与微腔耦合（c）高灵敏度生物检测（d）单纳米粒子探测1.2 微腔内非线性光学的研究1.2.1 非线性光学的研究意义如果在我们周围所发生的所有物理现象全都是线性的，那么物理学就会非常之单调，而生活也会显得极其枯燥无味。幸运的是，我们生活在一个非线性的世界里，线性化使物理的规律看起来显得简单优美，然而非线性却使光学世界变得如此奇妙、丰富多彩，充满了令人兴奋的内容[48]。物质与强光相互作用时，介质对光的响应呈非线性，其根源是物质的非线性极化效应。此时光在介质中传播时会产生新频率，不同频率之间的光波会产生耦合。非线性光学研究范围十分广泛，如光学混频、参量振荡、受激散射、自聚焦、自相位调制等[49]。研究非线性光学的意义的在于：首先，开创了产生强相干光源(c) (d)
本文编号：2925397
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