近年來,隨著微型化和集成化技術(shù)的發(fā)展,光學微腔得到了很多人的關注,其中由于回音壁模式（Whispering Gallery Mode,WGM）微腔具備小模式體積、高品質(zhì)因子等優(yōu)點在Fabry-Perot腔和光子晶體微腔中脫穎而出。WGM微腔在很多領域（例如微型激光器、高精度傳感器以及非線性光學等）得到了廣泛的研究,但是回音壁模式微腔也存在一些很明顯的弊端:回音壁模式耦合的諧振特性容易受到外界環(huán)境的影響（例如外界溫度以及微小的灰塵等）,使得WGM現(xiàn)在還是僅僅處于實驗室階段,距離實用化還有一段時間。本文主要針對WGM光學微腔的一些基本參數(shù)特性（如品質(zhì)因子、自由光譜范圍、諧振波長等）進行理論和實驗研究,通過模擬和仿真研究更清晰的了解其特性。本文的主要研究內(nèi)容有:簡述了WGM微腔的研究背景和意義,并針對不同參數(shù)對微腔進行了分類,并介紹了WGM微腔的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。介紹了WGM微腔的基本理論,詳細介紹了基本參數(shù)并分析各類參數(shù)對結(jié)構(gòu)的影響,然后從麥克斯韋方程組出發(fā)分析了微球腔以及微管腔腔內(nèi)的本征模式,介紹了幾類不同的微腔耦合方式并針對光纖錐耦合方式進行了具體的分析。用R-soft軟件對微腔與光纖錐... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

a)圣保羅大教堂圖片[5]b)北京天壇圖片

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-5-同時單向最大功率輸出達到了223μW[31]。隨后基于平面波導耦合的SiO環(huán)形腔、SiN環(huán)形腔等的光學頻率梳逐漸被學者們發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)極大的促進了非線性光學領域研究的進步和發(fā)展。光學微腔也有一些需要解決的問題：由于腔體對外界環(huán)境過于敏感，控制變量法進行試驗可能會受到外界非實驗參數(shù)的影響；大部分的微腔都是與光纖錐進行耦合的，這種耦合方式極其不穩(wěn)定，外界一個微小的變動都會受到影響。且耦合過程只有在高精度的顯微平臺上才能進行，也不利于規(guī)模性的生產(chǎn)，同時封裝方法的不同也會對耦合結(jié)果產(chǎn)生影響，因此在接下來的研究中需要更多的關注這些問題。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀回音壁模式的諧振波長會受到微腔尺寸地影響，在剛開始研究時，微腔的尺寸由于大環(huán)境的限制只能達到厘米的量級而無法得到更小量級的微腔，基于這個原因，在1961年，Garrett等人[32]首次利用CaF2晶體成功制備出微波波段的諧振腔，同時完成了在回音壁模式內(nèi)的微波激射[5]，這一研究結(jié)果使人們慢慢地注意到這一類型的微腔結(jié)構(gòu)。2006年，浙江大學的XSJiang等人[33]制備了一種可輸出1.5μm波長的微型光纖激光器，它是通過在空氣中把摻雜的光纖拉緊成一個直徑為2mm的結(jié)形成的。這個2mm的結(jié)由直徑為3.8μm的超細光纖（直接從摻鉺釔磷酸鹽玻璃中提�。┙M裝而成，既可用作激射的活性介質(zhì)，也可用作共振腔，微型激光器的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1-3所示。結(jié)果得到了閾值在5mW左右，輸出功率大于8W的單縱模激光器。此實驗的初步結(jié)果提出了一種基于摻雜微尺度光纖的高密度激光器的簡單方法，可以對以后的研究產(chǎn)生幫助。圖1-3微環(huán)形光纖激光器示意圖插圖：玻璃微纖維結(jié)顯微鏡圖像[33]

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-6-2006年，密蘇里哥倫比亞大學的IMWhite等人[34]提到了一種基于液芯光學環(huán)形諧振腔（LCORR）的新型傳感器結(jié)構(gòu)，將攜帶水樣的熔融石英毛細管充當環(huán)形諧振腔的作用。將LCORR的壁厚控制在幾個微米左右，以使回音壁模式暴露在水芯中，LCORR傳感器概念圖以及截面圖如下圖1-4所示。利用水-乙醇混合物對LCORR傳感器的光學特性進行了研究，結(jié)果表明LCORR傳感器的光譜靈敏度約為2.6nm/RIU。圖1-4LCORR傳感器的概念圖及橫截面放大圖[34]2007年，IMWhite等人[35]利用光流體環(huán)共振器平臺開發(fā)了具有集成微流體的基于SERS（表面增強拉曼散射）的檢測工具。他們是用微管腔制備的激光器，液芯光學環(huán)形共振器既用作微流體樣品傳輸機制，又用作環(huán)形共振器，在金屬納米團簇和目標分析物通過通道時激發(fā)它們。使用這種共振器的方法并將羅丹明6G用作分析物，達到了400pm的測量檢測極限。同時測得的拉曼信號可能僅僅由幾百個羅丹明6G分子便可產(chǎn)生，這預示著基于SERS的芯片實驗室生物和化學傳感器的發(fā)展，該傳感器能夠檢測少量目標分析物分子，實驗圖片如下圖1-5所示。圖1-5拉曼散射的模擬圖左)顯微鏡下耦合圖右)[35]2012年，復旦大學的LQRen等人[18]制備了耦合的光流體環(huán)形激光傳感器，并證明了其超靈敏的體折射率和表面質(zhì)量感測特性。該傳感器由一個圓柱環(huán)形激光器和一個薄壁毛細管環(huán)形諧振器組成，實驗模擬圖以及裝置圖如下圖1-6所示。由于游標效應的存在，一個環(huán)的折射率隨樣品發(fā)生變化，另一個環(huán)也隨之變化，可

【參考文獻】：
期刊論文
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[3]回音壁模式光學微腔:基礎與應用[J]. 鄒長鈴,董春華,崔金明,孫方穩(wěn),楊勇,吳曉偉,韓正甫,郭光燦.  中國科學:物理學 力學 天文學. 2012(11)

博士論文
[1]回音壁微腔的光學特性與傳感應用研究[D]. 梁磊.西北大學 2019
[2]高Q值回音壁模式光學微腔研究與實現(xiàn)[D]. 張輝.太原理工大學 2016
[3]回音壁模式微腔的耦合特性與封裝技術(shù)研究[D]. 董永超.中國科學技術(shù)大學 2016
[4]基于飛秒激光微納加工的回音壁模式諧振腔的研究[D]. 庫進鋒.吉林大學 2015

碩士論文
[1]全光纖回音壁諧振腔波長調(diào)諧技術(shù)研究[D]. 劉雷光.重慶大學 2018
[2]回音壁模式球微腔的制備及其應用研究[D]. 王聰.浙江師范大學 2015



本文編號：3518113