發(fā)布時間：2020-03-25 21:15

【摘要】：回音壁模式(Whispering gallery mode)微腔具有Q值高、模式體積小的優(yōu)勢,在低閾值激光器、非線性光學(xué)、生化傳感方面具有廣泛的應(yīng)用。近年來,研究人員不斷探索基于WGM微腔的光學(xué)器件設(shè)計、高靈敏度傳感器設(shè)計,促進(jìn)了WGM微腔與表面等離子、Fano共振等技術(shù)的融合創(chuàng)新。本文首先從理論角度研究了金屬包覆柱形微腔的模式特性。從麥克斯韋方程組出發(fā),在三層柱型坐標(biāo)系模型下推導(dǎo)得出模式特征方程,繪制出金屬包覆微腔中的模式色散曲線,并在色散曲線中發(fā)現(xiàn)了回音壁模式(WGM)和表面等離子模式(SPP)的耦合現(xiàn)象。并通過對耦合產(chǎn)生的混合WGM-SPP模式進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)其具有高Q值、高折射率靈敏度、低探測極限以及高FoM等特性,具有非常好的傳感應(yīng)用前景。本文的另一個核心內(nèi)容是基于柱型微腔的Fano共振激發(fā)以及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的探索。超細(xì)光纖錐能夠同時激發(fā)出柱型微腔局域化(localized)模式和非局域化模式,在耦合點(diǎn)附近,離散的WGM和連續(xù)的背景光相消干涉會產(chǎn)生非對稱的Fano共振譜。通過調(diào)節(jié)耦合強(qiáng)度或者光纖錐直徑,可以實(shí)現(xiàn)對連續(xù)背景光強(qiáng)度的調(diào)節(jié),改變離散的共振模式與連續(xù)背景光強(qiáng)度的比值(即Fano參數(shù)),調(diào)節(jié)Fano共振的相位以及強(qiáng)度。當(dāng)1μm的光錐與柱型微腔接觸時,會激發(fā)出類EIT(electromagnetically induced transparency)的 Fano 共振峰,其擁有 10dB 的消光比,15%的直接透射率,于是我們設(shè)計了基于Fano的光學(xué)濾波器,并將其應(yīng)用在光纖激光器上作為選模器件,實(shí)現(xiàn)了閾值27.9 mW的波長可調(diào)的環(huán)形光纖激光器。另外,結(jié)合光流控技術(shù),利用微毛細(xì)管作為載體,不同濃度的水和酒精混合溶液作為樣品,通過在示波器中觀察Fano共振譜的波長頻移進(jìn)行傳感,可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)800nm/RIU的折射率靈敏度,4192的FoM(Figure of merit)值,具有非常好的傳感應(yīng)用前景。
【圖文】：

圖１－１不同形貌的ＷＧＭ微腔的傳感結(jié)構(gòu)［４］逡逑回音壁模式（Ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ邋ｇａｌｌｅｒｙ邋ｍｏｄｅ）微腔是一種新型微納尺度上的諧振腔，逡逑如圖１－１所示，，根據(jù)物理結(jié)構(gòu)的不同，可以將ＷＧＭ微腔分為微環(huán)腔，微球腔，逡逑微柱腔，微盤腔等，但是其工作原理是相同，在極小的封閉空間內(nèi)，光在一個平逡逑面由于發(fā)生循環(huán)全反射以諧振模式存在。由于ＷＧＭ微腔具有模式體積小，品質(zhì)逡逑因子（Ｑ值）高等優(yōu)點(diǎn)，最近幾年成為光學(xué)領(lǐng)域研宄的熱點(diǎn)之一，其制作材料主逡逑要以二氧化硅，半導(dǎo)體材料等低損耗的材料為主。逡逑回音壁模式最早是在聲學(xué)研究中所發(fā)現(xiàn)的，二十世紀(jì)初，英國著名科學(xué)家逡逑Ｌ．邋Ｒａｙｌｅｉｇｈ在圣保羅大教堂中發(fā)現(xiàn)［５］，人們說話的聲音可以通過彎曲的走廊從逡逑一端傳播到另一端，這就是回音壁模式名稱的由來。類似于聲波在墻面上發(fā)生反逡逑射

通過檢測共振模式頻率的變化，實(shí)現(xiàn)對各類環(huán)境參量的監(jiān)測。逡逑１．１．２回音壁模式微腔的發(fā)展進(jìn)程逡逑從圖１－２我們可以看出，在２１世紀(jì)之前，對于回音壁模式微腔的報道非常逡逑少，相關(guān)的刊物也很少面世�；匾舯谀Ｊ轿⑶坏拇笠�(guī)模實(shí)驗研宄始于２１世紀(jì)，逡逑但是２０世紀(jì)初，Ｍｉｅ等就創(chuàng)建了著名的Ｍｉｅ式散射理論［１３］，即關(guān)于微球、微柱逡逑腔的模式理論。Ｍｉｅ散射理論在麥克斯韋方程的基礎(chǔ)上給出了柱型和球型微柱的逡逑共振模式的解析解，并分析得出微腔中模式特性和微腔的尺寸以及電磁場的波長逡逑有光，Ｍｉｅ散射理論的建立為深入研宄各種類型微腔的性質(zhì)奠定了理論基礎(chǔ)。逡逑ａ挪卻逡逑３２７逡逑；ｊ邐．－１１１逡逑ｖｆｎ邋ｆＭ邐ｔｏｕ邋／ａｔｉ邋ａｘ？邋ｒｏｔ邋．Ｗ邋ｉｉｃｒ邋ａｍ邋／00？邋ｘｆｉｃ－邋．＊ｏｕ邋ａ－ｌ＊邐ｘｍ邋ｊｕｓｔ邋ｘｕ逡逑圖１－２邋１９９８－２０１７年刊載ＷＧＭ微腔研宄的出版物統(tǒng)計（數(shù)據(jù)來自Ｗｅｂ邋ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ）逡逑在ＷＧＭ微腔發(fā)展前期，制造工藝還不成熟，微腔的研究大都是基于液滴，逡逑由于表面張力作用，液滴具有天然的光滑邊緣和對稱性的結(jié)構(gòu)。但是因為其相當(dāng)逡逑不穩(wěn)定（難以保存與集成），大大限制了邋ＷＧＭ的進(jìn)一步發(fā)展。２０００年，Ｍ．Ｃａｉ逡逑等首次實(shí)現(xiàn)微球腔與光纖錐的臨界耦合
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O43

【參考文獻(xiàn)】

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1 胡人文;;光纖激光器的應(yīng)用及發(fā)展綜述[J];科技信息;2012年33期

2 鄒長鈴;董春華;崔金明;孫方穩(wěn);楊勇;吳曉偉;韓正甫;郭光燦;;回音壁模式光學(xué)微腔:基礎(chǔ)與應(yīng)用[J];中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué);2012年11期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 陰成龍;基于回廊模微腔的新型光學(xué)器件[D];南京大學(xué);2013年

本文編號：2600456