液体填充空心玻璃微球回音壁模式的研究

论文摘要

由于回音壁模式（WGM）微腔具有较高的Q值、较小的模式体积和独特的结构而引起了人们的极大关注。WGM微腔通常是具有微米级尺寸,并利用腔体和周围介质的弯曲边界上连续的全内反射捕获光线的介电结构。WGM微腔传感器表现出较高的灵敏度、体积小、成本低和实时监控等独特的优点,使得WGM微腔传感器引起了极大的关注,尤其是在生物和化学传感方向。WGM谐振器依赖于微腔表面的光与周围的分析物相互作用,将化学或生物分析物的存在转化为定量的、可测量的光信号,进而实现实时监控。近几十年来,除了制作材料的多种多样,WGM谐振器的形状也有很多,从最简单的形状,即微球、微盘、微泡,到更奇异的形状,如微瓶和微泡等空心腔,它们每一个都有各自的优点和缺点。与其他WGM谐振腔相比,空心WGM微腔不仅保留了固体谐振器的许多优点,而且在生物和化学传感领域具有特别有益的附加特性。由于样品可以注射到腔体中,通过改变腔体壁厚,可以利用空心WGM微腔检测纳米粒子。此外,在光学芯片集成和降低成本的大批量制造中空心WGM微腔已经表现出了非凡的潜力。因此,这些特点使空心WGM谐振器更适合实际应用。本文针对空心WGM微腔开展了系统的研究工作,以空心玻璃微球（HGM）为研究对象,实验验证了HGM可以作为WGM微腔,探究了空心WGM微腔中WGM共振的转移,同时实现了基于液体填充HGM的WGM微腔的高灵敏度温度传感。具体研究工作可以总结如下:（1）首先,采用氢氟酸腐蚀的方法在HGM表面开孔处理,随后使用火焰加热拉伸法制备的显微注射器向HGM中注入液体,制备了液体填充的HGM;通过扫描电子显微镜和显微镜照片共同表征了HGM腔;通过与锥形光纤耦合的方法,在透射光谱中观察到典型的WGM共振。然后,基于WGM共振形成的特点,提出了随着空心WGM微腔芯折射率的改变(从ncore<nwall到ncore>nwall),WGM共振发生转移的观点;通过使用COMSOL Multiphysics建立液体填充HGM的仿真模型,通过改变芯折射率,观察不同折射率芯的HGM截面的电场分布,并从理论上验证了在跳跃点处(ncore=nwall)WGM谐振位置从墙到芯的转移的观点。最后,将不同折射率的液体注入HGM中,探究WGM共振的Q值、FSR和折射率灵敏度在跳变点处的变化规律;通过理论公式计算验证了不同芯折射率的HGM WGM共振在跳变点处FSR和折射率灵敏度的变化规律,理论计算结果与实验结果十分吻合,并计算了折射率灵敏度与HGM壁厚和微腔尺寸之间的关系。实验中的研究可以作为概念的证明,并且可以扩展到更高质量的微球或微泡等WGM微腔。（2）继续对液体填充的HGM腔展开工作,主要研究液体填充的HGM的温度传感特性以及探究了提高温度灵敏度的方法。首先,分析了空心WGM微腔温度传感的原理,并通过使用三维时域有限差分法（FDTD）建立HGM的仿真模型,探究不同芯折射率的液体填充进HGM的内部光场分布,并对其WGM共振特性进行理论分析。然后,通过将温度敏感的液体材料填充进HGM中,基于锥形光纤耦合的方法,在记录的透射光谱中观察到了典型的WGM共振;通过改变外界环境的温度,监测液体填充HGM WGM共振光谱的平移,从而实现的温度传感。最后,探究了两种提高温度灵敏度的方法:（1）通过选取具有更高热光系数的液体填充进HGM,根据实验结果深入分析了热光系数对温度灵敏度的影响。（2）挑选出不同尺寸的HGM,研究尺寸大小对温度灵敏度的影响。实验中测得的最高温度灵敏度为334.3pm/°C。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 回音壁模式光学微腔简介
•   1.2 WGM微腔的分类
•   1.3 空心WGM腔的主要应用
•     1.3.1 温度传感器
•     1.3.2 压力传感器
•     1.3.3 折射率传感器
•     1.3.4 生物传感器
•     1.3.5 气体传感器
•   1.4 论文主要内容及章节安排
• 第2章 回音壁模式基本理论及传感原理
•   2.1 引言
•   2.2 回音壁模式主要参数
•     2.2.1 微腔品质因子
•     2.2.2 自由光谱范围
•   2.3 回音壁模式微腔电磁场理论分析
•   2.4 空心WGM微腔理论及传感机制分析
•     2.4.1 空心WGM微腔理论分析
•     2.4.2 传感机制分析
•   2.5 本章小结
• 第3章 液体填充空心玻璃微球腔制备及实验方法
•   3.1 引言
•   3.2 主要实验试剂与实验设备
•     3.2.1 主要实验试剂及材料
•     3.2.2 主要实验仪器及设备
•   3.3 主要实验方法
•     3.3.1 显微注射器制备
•     3.3.2 液体填充空心玻璃微球的制备
•     3.3.3 锥形光纤波导的制备
•   3.4 本章小结
• 第4章 空心WGM微腔的WGM共振模式转移
•   4.1 引言
•   4.2 液体填充空心玻璃微球的回音壁模式
•     4.2.1 空心玻璃微球的表征
•     4.2.3 WGM谐振光谱特性分析
•   4.3 空心WGM微腔的WGM共振模式转移
•     4.3.1 空心WGM微腔的WGM共振模式转移仿真
•     4.3.2 空心 WGM 微腔共振模式转移实验
•     4.3.3 空心WGM微腔的WGM共振模式转移理论计算
•   4.4 本章小结
• 第5章 液体填充空心玻璃微球温度传感研究
•   5.1 引言
•   5.2 液体填充空心玻璃微球温度传感原理
•     5.2.1 WGM微腔温度传感原理
•     5.2.2 空心WGM微腔温度传感原理
•   5.3 液体填充空心玻璃微球温度传感测试
•     5.3.1 实验装置图
•     5.3.2 温度传感测试
•   5.4 提高温度灵敏度方案
•     5.4.1 热光系数对温度灵敏度影响
•     5.4.2 空心玻璃微球尺寸对温度灵敏度影响
•   5.5 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 史博建

导师: 刘双强

关键词: 回音壁模式,共振转移,光学谐振腔,温度传感器

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 哈尔滨工程大学

分类号: TN253;TP212

总页数: 72

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