回音壁模（WGM）微腔能使光在高折射率介質(zhì)內(nèi)壁形成全反射,不僅保證了光學(xué)增益回路的有效形成,大大降低了光學(xué)散射與透射帶來的損耗,并可獲得低閾值和高品質(zhì)因子,在激光、生物探測以及量子物理等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。在眾多WGM微腔結(jié)構(gòu)中,各向同性的微球結(jié)構(gòu)更有利于減小光學(xué)損耗,提高微腔品質(zhì)。氧化鋅（ZnO）具有直接帶隙寬、激子束縛能高、折射率高、形貌可控、制備方法簡單和生物相容性好等優(yōu)點,對稱幾何形狀的ZnO是一種天然的WGM微腔材料,且不需要增益介質(zhì)。如何制備ZnO微球并有效控制微球的結(jié)晶性和表面粗糙度,提高ZnO微腔性能,并結(jié)合實際應(yīng)用領(lǐng)域制備各種ZnO復(fù)合微腔,成為一個很有意義的研究課題。隨著等離激元光子學(xué)（Plasmonics）的發(fā)展,表面等離激元增強半導(dǎo)體材料的性能引起了人們的廣泛關(guān)注。光激發(fā)引起金屬表面自由電子的集體振蕩,能夠?qū)⒐鈭瞿芰扛叨染钟蛟诒砻?并表現(xiàn)出極強的近場增強特性,與微腔表面?zhèn)鞑サ馁渴挪òl(fā)生高效耦合,實現(xiàn)發(fā)光增強和吸收增強。這一奇特的物理效應(yīng),能有效提高ZnO材料的本征發(fā)光效率以及對光的利用率,對設(shè)計和構(gòu)建新型光電子器件和生物傳感器有著巨大應(yīng)用前景。本文旨在利用... 

【文章來源】：東南大學(xué)江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：博士

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（A）英國倫敦圣保羅大教堂室內(nèi)圖（B）北京天壇回音壁

第一章緒論3時間的局域在微腔內(nèi)形成回音壁模式的一類介質(zhì)諧振腔。由于其特有的回音壁模式，使其具有超高Q值、極小的模式體積、超高的能量密度和極窄的線寬等優(yōu)越特性，從而成為最典型的一類光子器件�；谏鲜鰞�(yōu)勢，WGM微腔的相關(guān)研究已引起世界范圍內(nèi)學(xué)者們的廣泛關(guān)注。二十世紀末期，關(guān)于WGM的研究迎來發(fā)展時期。1992年，研究者S.L.McCall等[21]通過選擇性刻蝕技術(shù)加工出一種微米盤結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了低閾值單模激光，如圖1.2（A）和（B）所示。1996年，研究者V.Sandoghdar等[22]用熔融燒蝕法制備出摻銣的SiO2微球，得到了超低閾值的激光并觀察到閾值的線性變化如圖1.2（C）和（D）所示。圖1.2（A）InP/InGaAsP微米盤及其（B）單模激光（C）摻銣SiO2微球激光模式及其（D）閾值的線性變化[21,22]1997年，光學(xué)領(lǐng)域的研究學(xué)者通過時域有限差分法(FDTD,Finite-DifferenceTime-Domain)模擬計算了波導(dǎo)耦合單模環(huán)和WGM微盤諧振器。研究者們已經(jīng)不滿足于實驗現(xiàn)象，開始嘗試通過各種手段調(diào)控WGM微腔模式。[23,24]WGM微腔根據(jù)光線在腔內(nèi)壁上的全反射原理，能將某些特性波長的光長時間地限制在腔內(nèi)循環(huán)傳播。目前光學(xué)介質(zhì)微腔的形狀也豐富多樣，主要包括微球、微盤、微環(huán)和其它規(guī)則的幾何形狀包括六角形的微米棒、微米碟和微米針等等。[25-33]構(gòu)成微

東南大學(xué)博士學(xué)位論文4腔材料的物態(tài)包括固體和液體，材料種類也涵蓋了無機材料和有機材料。1.1.2回音壁模微腔的材料種類及特點早期提出的WGM微腔一般具有對稱結(jié)構(gòu)，這些微腔具有極高的Q值和很小的模式體積。針對回音壁微球諧振腔的理論基礎(chǔ)和制備方法的研究開始較早，在科學(xué)家ArthurA.等[34]熱實驗研究的啟發(fā)下，錢世雄等研究者[35]在微小的球形水滴中觀測到了低閾值激光。接著為了進一步克服液滴諧振腔的不穩(wěn)定性，研究者們制備出固態(tài)微球，在微球腔中得到了高品質(zhì)激光。光譜共振位置主要取決于諧振器的幾何形狀（例如尺寸、球形度）和基本光學(xué)性質(zhì)，但是周圍折射率、吸收率以及經(jīng)過加工處理過程后的表面粗糙度等也會對其造成很大差異，因此不同材料制備出的微腔性質(zhì)差別也很大。目前制備微腔的材料主要包括以下幾種：（1）液體類材料圖1.3（A）柔性半球微諧振器的激光（B）染料/PDMS液滴的WGM微腔[36,37]2012年，Sun等[36]研究者制備了一種自組裝的柔性液體微諧振器，在室溫光學(xué)泵浦時表現(xiàn)出優(yōu)異的WGM激光特性，如圖1.3（A）所示。他們利用疏水


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