【摘要】：回音壁模式光學(xué)微腔由于具有高品質(zhì)因子、低模式體積和良好的可集成性,在高靈敏度傳感器、非線性光學(xué)、微型激光器、光信息處理、腔光力學(xué)和量子信息等領(lǐng)域取得了重要的發(fā)展和應(yīng)用。為提升微腔的品質(zhì)因子等性能,人們在微腔中摻雜稀土離子等光學(xué)增益材料制成主動(dòng)腔。然而主動(dòng)腔的制作過程相對復(fù)雜,而且其泵浦光源和工作范圍受到稀土離子等摻雜物質(zhì)的泵浦帶和發(fā)光帶的限制。因此我們試圖以微腔材料中普遍存在的拉曼過程代替增益物質(zhì)的摻雜,減除額外的加工成本,避免摻雜引入的微腔損耗,同時(shí)放寬對泵浦激光和工作范圍波長的限制。本論文圍繞回音壁模式光學(xué)微腔的拉曼調(diào)制,主要開展了以下三方面的研究:一、利用回音壁微腔拉曼激光檢測納米粒子。我們同美國圣路易斯華盛頓大學(xué)的楊蘭教授的研究組合作,利用二氧化硅回音壁微腔的拉曼增益補(bǔ)償微腔損耗,提升粒子檢測的分辨率,并通過微腔拉曼激光模式劈裂產(chǎn)生的自參照的拍頻,實(shí)現(xiàn)了對半徑低至10 nm的單個(gè)納米粒子的檢測和計(jì)數(shù)。實(shí)驗(yàn)達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的極化率靈敏度(3.82×106μm3)。二、通過拉曼增益調(diào)控回音壁微腔系統(tǒng)的耦合機(jī)制。我們從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了不同耦合條件下,波導(dǎo)耦合的回音壁微腔的透射譜隨拉曼增益的變化。實(shí)驗(yàn)顯示拉曼增益的大小不僅影響著透射譜的線寬,還能改變系統(tǒng)的耦合機(jī)制。在此基礎(chǔ)上,我們通過施加拉曼增益,在不移動(dòng)任何單個(gè)光學(xué)元件的前提下,實(shí)現(xiàn)對微腔-波導(dǎo)系統(tǒng)耦合機(jī)制的連續(xù)調(diào)控。這種調(diào)控達(dá)成了此前類似方法無法實(shí)現(xiàn)的從欠耦合向過耦合方向的調(diào)節(jié),還在調(diào)控過程中提高了譜線的分辨率,對光學(xué)微腔系統(tǒng)的雙向全光調(diào)節(jié)具有重要意義。三、利用二氧化硅的受激拉曼損耗調(diào)控回音壁微腔系統(tǒng)的耦合機(jī)制。我們首次研究了二氧化硅的受激拉曼損耗對回音壁微腔系統(tǒng)的影響,并在此基礎(chǔ)上利用逆拉曼散射改變了微腔腔內(nèi)損耗,實(shí)現(xiàn)了對光纖錐耦合的微芯圓環(huán)腔系統(tǒng)耦合機(jī)制的全光調(diào)節(jié)。我們在不改變微腔或光纖錐位置的前提下,通過注入低功率的泵浦光,將系統(tǒng)由深度過耦合調(diào)控到臨界耦合。實(shí)驗(yàn)中共振透射率降低了19.58dB,遠(yuǎn)高于此前硅微環(huán)腔達(dá)到的9dB的對比度,而且相比硅微環(huán)腔,本方案不受雙光子吸收和自由載流子吸收等效應(yīng)的干擾。
[Abstract]:Echo wall mode optical microcavity has high quality factor, low mode volume and good integration, in high sensitivity sensor, nonlinear optics, micro laser, optical information processing, Cavity optics and quantum information have been developed and applied. In order to improve the quality factor and other properties of the microcavity, the active cavity is made by doping rare earth ions and other optical gain materials in the microcavity. However, the fabrication process of active cavity is relatively complex, and its pump source and working range are limited by the pump band and luminescent band of rare earth ions and other doped materials. So we try to replace the gain material doping with the Raman process which is widely used in the microcavity material, reduce the extra processing cost, avoid the microcavity loss caused by doping, and relax the restrictions on the pump laser and the operating range wavelength. In this thesis, we focus on the Raman modulation of echo-mode optical microcavity, which is mainly studied in the following three aspects: first, using the resonator Raman laser to detect nanoparticles. We are working with Professor Yang Lan of Washington University in St. Louis, USA, to use the Raman gain of the silicon dioxide echo wall microcavity to compensate for the loss of the microcavity and to improve the resolution of particle detection. By using the self-reference beat produced by the mode splitting of micro-cavity Raman laser, the detection and counting of a single nanoparticle with a radius of as low as 10 nm is realized. The experiment has achieved a record polarizability sensitivity (3.82 脳 106 渭 m ~ 3). Secondly, the coupling mechanism of the microcavity system is regulated by Raman gain. We have theoretically and experimentally studied the variation of the transmission spectrum of the waveguide coupled echo microcavity with the Raman gain under different coupling conditions. The experimental results show that the Raman gain not only affects the linewidth of the transmission spectrum, but also changes the coupling mechanism of the system. On this basis, we realize the continuous control of the coupling mechanism of microcavities and waveguides without moving any single optical element by applying Raman gain. This kind of regulation not only achieves the adjustment from undercoupling to over-coupling, but also improves the resolution of spectral lines in the process of regulation, which is of great significance to the bi-directional all-optical modulation of optical microcavity system. Thirdly, the coupling mechanism of microcavity system of echo wall is regulated by stimulated Raman loss of silicon dioxide. The effect of stimulated Raman loss of silicon dioxide on the microcavity system of echo wall is studied for the first time, and on this basis, inverse Raman scattering is used to change the loss of microcavity. The all-optical adjustment of the coupling mechanism of the microcore ring cavity system with fiber conical coupling is realized. Without changing the position of microcavity or fiber cone, the system is controlled from deep over-coupling to critical coupling by injecting low power pump light. The resonant transmittance is reduced by 19.58 dB, which is much higher than the contrast of 9dB achieved by the silicon microring cavity. Compared with the silicon microring cavity, the scheme is not interfered by the effects of two-photon absorption and free carrier absorption.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O43

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本文編號(hào)：2278937