發(fā)布時(shí)間：2020-08-02 11:20

【摘要】：近年來(lái),微納結(jié)構(gòu)光子器件發(fā)展迅速,這種器件具有對(duì)光進(jìn)行感知、傳輸、操控等諸多功能,回音壁模式(WGM)微腔是其中之一,它具有品質(zhì)因子極高、模式體積小、能夠極大地促進(jìn)光與物質(zhì)的相互作用等優(yōu)點(diǎn),在量子通信、非線性光學(xué)、極窄帶濾波、各種物理量的傳感等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。隨著微納加工工藝的逐步提高,回音壁微腔已經(jīng)開(kāi)始向小型化、器件化的實(shí)際應(yīng)用方向發(fā)展。本文針對(duì)回音壁微腔的光學(xué)特性及其傳感應(yīng)用中存在的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究,主要包括WGM微腔與光纖錐耦合系統(tǒng)的理論模型,耦合波方程及其求解,相位/尺寸匹配問(wèn)題,微球腔、微柱腔與光纖錐的耦合特性與封裝技術(shù),并對(duì)WGM微腔在高靈敏度氣體、折射率傳感領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究。所做得研究?jī)?nèi)容和取得的研究成果如下:(1)基于光波的電磁場(chǎng)理論,表征WGM微腔的幾個(gè)關(guān)鍵的物理參量,以微球腔與微柱腔及其和光纖錐耦合的理論模型,分析討論了微腔的尺寸以及微腔與波導(dǎo)耦合間距對(duì)耦合特性的影響規(guī)律,為后續(xù)實(shí)驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)。提出了微球腔和微柱腔的電弧放電制備有效方法,用熱拉法制備了錐區(qū)直徑2微米并滿足絕熱近似條件的光纖錐結(jié)構(gòu),搭建耦合系統(tǒng),得到了微腔與光纖錐的回音壁模式諧振譜,同時(shí)驗(yàn)證了理論模擬結(jié)果。(2)提出了一種新的耦合系統(tǒng)封裝方案。微腔與波導(dǎo)的高效、穩(wěn)定耦合是目前回音壁模式研究領(lǐng)域中的一個(gè)難題。針對(duì)這一問(wèn)題,我們?cè)O(shè)計(jì)并制作了一個(gè)具有特殊結(jié)構(gòu)的亞克力材質(zhì)基底,結(jié)合紫外膠在不影響微腔/光纖錐耦合系統(tǒng)的前提下,實(shí)現(xiàn)了回音壁模式微腔的高效率封裝。并對(duì)封裝后器件的諧振譜進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明封裝工藝基本不會(huì)對(duì)耦合效率產(chǎn)生影響,封裝后的耦合系統(tǒng)仍然保持了10~5的高品質(zhì)因子。(3)針對(duì)高靈敏度傳感領(lǐng)域的應(yīng)用需求,試制了基于WGM微球諧振腔型濕度傳感器和微柱諧振腔型氨氣傳感器。對(duì)傳感器的濕敏特性、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性、以及溫度對(duì)傳感器的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。對(duì)海藻酸鈣的濕敏特性和引入濕度傳感可行性進(jìn)了研究,結(jié)果表明,與傳統(tǒng)濕敏材料相比,海藻酸鈣具有更好的濕敏特性并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,耐高溫�；诖颂岢隽撕Ｔ逅徕}包覆的微球諧振腔濕度傳感器,分析了傳感器諧振譜的FSR、Q值特征、鍍膜厚度對(duì)Q值得影響,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,根據(jù)理論和測(cè)量結(jié)果計(jì)算了傳感器的最小分辨率等性能。針對(duì)超低濃度氨氣檢測(cè)的特點(diǎn)和需求,提出了基于硅膠涂覆的微柱諧振腔型氨氣傳感器,并對(duì)傳感器的響應(yīng)時(shí)間、光譜漂移規(guī)律、穩(wěn)定性和重復(fù)性等性能進(jìn)行分析和討論,結(jié)果表明,該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空氣中氨氣的高靈敏度檢測(cè)。
【學(xué)位授予單位】：西北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：O43
【圖文】：

了光場(chǎng)與原子的強(qiáng)相互作用。但是，F(xiàn)P 微腔存在顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn)，其 Q 值相對(duì)于其他微腔偏低，常見(jiàn)的 FP 型微腔的 Q 值最高也只能達(dá)到 103左右。為了提高微腔的 Q 值，研究者們嘗試尋找其他形式的微諧振腔。其中，基于光子晶體中的缺陷而工作的光子晶體微腔，成為了人們研究的熱點(diǎn)。我們知道，光子晶體是可以人為設(shè)計(jì)和制造的折射率可梯度變化的介質(zhì)材料。其周期性的結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生光子帶隙，從而對(duì)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制。當(dāng)人為的在光子晶體中通過(guò)摻雜等方式加入一些微小缺陷后，其光子帶隙被打破，特定頻段的光能夠通過(guò)并發(fā)生諧振，從而實(shí)現(xiàn)微諧振腔的功能。由于光子晶體微腔可以人為設(shè)計(jì)和控制，所以我們?cè)谝欢ǔ潭壬峡梢缘玫讲煌螤畹奈⑶�，并且�?shí)現(xiàn)對(duì)諧振頻率的選擇。因此，該類(lèi)型微腔在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，比如各種特種激光器[46-48]、高靈敏度傳感器[49,50]以及光頻率梳[51]和濾波器[52]等等。但是，受制于現(xiàn)有微加工工藝的精度以及微腔本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該類(lèi)型微腔的 Q 值依然不高（最高大約為 105），并且在與其他光電子器件進(jìn)行集成時(shí)，耦合損耗偏大，導(dǎo)致耦合效率很低，在應(yīng)用方面存在一定的局限性。

西北大學(xué)博士學(xué)位論文材料損耗的極限。1997 年，人們利用熔融熱拉法得到了微米量級(jí)光滑的光纖錐，從而得到了 WGM 模式中的高效率耦合器件。微米量級(jí)的光纖錐使得光纖中的夠以倏逝場(chǎng)的形式在空氣中傳播，從而能夠?qū)⒐庖院芨叩男蜀詈线M(jìn)入微腔，實(shí)高達(dá) 99.7％的耦合效率。與此同時(shí)，熱拉法制備光纖錐工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，使得光學(xué)振腔的加工和研究門(mén)檻大幅度降低，各領(lǐng)域研究者們可以在此基礎(chǔ)上開(kāi)展大量的，直接推動(dòng)了光學(xué)微諧振腔的快速發(fā)展。

逝場(chǎng)的形式在空氣中傳播，從而能夠?qū)⒐庖院芨叩男蜀詈线M(jìn)入微9.7％的耦合效率。與此同時(shí)，熱拉法制備光纖錐工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，使加工和研究門(mén)檻大幅度降低，各領(lǐng)域研究者們可以在此基礎(chǔ)上開(kāi)展推動(dòng)了光學(xué)微諧振腔的快速發(fā)展。圖 2 圣保羅大教堂弧形墻壁

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李光;陳文彬;刁庚秀;;全介質(zhì)微腔OLED的應(yīng)用[J];現(xiàn)代顯示;2006年05期

2 ;硅基微腔加強(qiáng)光致發(fā)光[J];國(guó)外激光;1994年11期

3 李云輝,江海濤,李宏強(qiáng),張冶文;光子晶體微腔研究進(jìn)展[J];同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2005年07期

4 唐水晶;李貝貝;肖云峰;;回音壁模式光學(xué)微腔傳感[J];物理;2019年03期

5 楊慧彬;孫巖洲;蘇大體;;微腔介質(zhì)阻擋放電憶阻特性分析[J];電子測(cè)量技術(shù);2017年04期

6 鄒長(zhǎng)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(guó)科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué);2012年11期

7 熊祖洪,史華忠,樊永良,張松濤,詹義強(qiáng),何鈞,鐘高余,徐少輝,柳毅,王曉軍,王子君,丁訓(xùn)民,黃維,侯曉遠(yuǎn);電致發(fā)光色純性增強(qiáng)的硅基有機(jī)微腔[J];物理學(xué)報(bào);2003年05期

8 張春玉;劉星元;套格套;王立軍;;耦合結(jié)構(gòu)有機(jī)微腔的光致發(fā)光特性[J];發(fā)光學(xué)報(bào);2007年03期

9 劉星元,馮紀(jì)蒙,劉云,梁春軍,趙東旭,洪自若,趙家民,鄂樹(shù)林,李文連,虞家琪,王立軍;多模發(fā)射的單層有機(jī)光學(xué)微腔[J];發(fā)光學(xué)報(bào);1999年04期

10 劉申;廖常銳;王義平;;光纖氣泡微腔傳感技術(shù)[J];應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào);2018年01期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 岳守振;王鵬;趙毅;;微腔有機(jī)電致發(fā)光器件光學(xué)特性的模擬研究[A];全國(guó)第15次光纖通信暨第16屆集成光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2011年

2 王立軍;寧永強(qiáng);劉星元;;微腔物理及微腔激光[A];新世紀(jì) 新機(jī)遇 新挑戰(zhàn)——知識(shí)創(chuàng)新和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展（上冊(cè)）[C];2001年

3 張婷;胡古今;洪學(xué)濵;商景林;褚君浩;戴寧;;鐵電光學(xué)微腔的構(gòu)筑與性能表征[A];上海市激光學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2009年

4 楊立功;吳鵬;秦曉蕓;顧培夫;陳海星;劉旭;;雙金屬鏡微腔結(jié)構(gòu)中單介質(zhì)調(diào)諧層的設(shè)計(jì)[A];2004年光學(xué)儀器研討會(huì)論文集[C];2004年

5 楊立功;吳鵬;秦曉蕓;顧培夫;陳海星;劉旭;;雙金屬鏡微腔結(jié)構(gòu)中單介質(zhì)調(diào)諧層的設(shè)計(jì)[A];大珩先生九十華誕文集暨中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)2004年學(xué)術(shù)大會(huì)論文集[C];2004年

6 周坤;崔金明;黃運(yùn)鋒;;基于紫外光纖微腔的離子熒光收集[A];第十七屆全國(guó)量子光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議報(bào)告摘要集[C];2016年

7 賈銳;江德生;譚平恒;孫寶權(quán);;玻璃球形微腔中的量子點(diǎn)[A];第一屆全國(guó)納米技術(shù)與應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2000年

8 謝澤鋒;周翔;;高效率金屬微腔OLEDs性能的研究[A];第11屆全國(guó)發(fā)光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2007年

9 劉曉斐;雷府川;楊旭;王川;龍桂魯;;基于增益競(jìng)爭(zhēng)的回音壁模式微腔的調(diào)控[A];第十七屆全國(guó)量子光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議報(bào)告摘要集[C];2016年

10 劉濤;張?zhí)觳?王軍民;彭X墀;;微腔中的光學(xué)耦極俘獲[A];第十屆全國(guó)量子光學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)論文論文集[C];2002年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 馮彥林;微腔中光與簡(jiǎn)并費(fèi)米氣體的多體效應(yīng)及量子相變[D];山西大學(xué);2019年

2 梁磊;回音壁微腔的光學(xué)特性與傳感應(yīng)用研究[D];西北大學(xué);2019年

3 劉帥;基于回音壁光學(xué)微腔的模式激發(fā)與調(diào)控研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

4 于洋;基于微納光纖的一維光子晶體微腔及其應(yīng)用的研究[D];中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所);2017年

5 曹坤健;液體填充型光纖微腔的制備及傳感特性[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

6 劉曉斐;鉺離子摻雜回音壁光學(xué)微腔增益性質(zhì)的研究[D];清華大學(xué);2017年

7 吳勝楠;基于光纖微腔的新型結(jié)構(gòu)傳感器的應(yīng)用研究[D];浙江大學(xué);2018年

8 胡曉鴻;微腔內(nèi)光場(chǎng)的非線性演化機(jī)理與克爾光頻梳產(chǎn)生理論研究[D];中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所);2017年

9 周健;基于高性能分束器與光子晶體微腔集成的傳感復(fù)用性能研究[D];北京郵電大學(xué);2019年

10 何玲燕;光學(xué)微腔中的非線性效應(yīng)及其在量子信息中的應(yīng)用研究[D];北京郵電大學(xué);2019年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 王博洋;回音壁模式光學(xué)微腔制備及色散設(shè)計(jì)[D];電子科技大學(xué);2019年

2 任昌燕;基于高Q石英微球腔的光學(xué)應(yīng)用研究[D];廈門(mén)大學(xué);2018年

3 盧宇;基于錐形回音壁模式微腔的法諾共振研究[D];南京大學(xué);2019年

4 孫洋;基于腔光力學(xué)的機(jī)械振子全光調(diào)控[D];北京郵電大學(xué);2019年

5 顏炎洪;光學(xué)微腔嵌埋硫系二維材料的光學(xué)特性研究[D];上海師范大學(xué);2019年

6 史博建;液體填充空心玻璃微球回音壁模式的研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2019年

7 馮軍;水合輔助超聲磨料流拋光藍(lán)寶石微腔體技術(shù)研究[D];吉林大學(xué);2019年

8 馬杰;有機(jī)激光器中光學(xué)微腔的研究[D];蘇州大學(xué);2018年

9 劉怡麟;基于溴化鉛鈣鈦礦的微腔波導(dǎo)集成器件研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

10 徐巍;有機(jī)激光微腔的構(gòu)建及其濕度傳感研究[D];東南大學(xué);2018年

本文編號(hào)：2778443