回音壁模式光学微腔的制备及其应用研究

论文摘要

近年来,回音壁模式光学微腔凭借着其高品质因子（Q）和低模式体积（V）的特性引起众多学者的青睐。回音壁模式（Whispering Gallery Mode,WGM）是指当特定波长的光波在腔体由高折射率的介质进入到低折射率的介质时发生全反射,满足相位匹配条件即光程等于波长整数倍时,光波会在微腔内壁形成稳定的驻波模式,这种电磁场模式也就是回音壁模式。微纳光学的发展使得制备出来的回音壁模式微腔具有超高品质因子、极低元器件体积、利于集成等特点。回音壁模式光学微腔作为重要的光学器件被广泛应用于众多领域,例如腔量子电动力学、非线性光学、低阈值激光器、高灵敏度传感器和光学滤波器等。本文从理论和实验两个方面对基于石英毛细管微泡（或微瓶）的回音壁模式光学微腔进行了研究。具体研究内容包括以下几个方面:首先回顾了回音壁模式光学微腔发展历史,并简单介绍了微腔的三种分类,以及应用实例。其次从Maxwell方程组出发理论推导出微球腔的本征模式,得出回音壁模式微腔的基本参量,品质因子Q、模式体积Veff和自由光谱范围（Free Spectral Range,FSR）。接着介绍了一种有限元模拟方法,采用COMSOL Multiphysics软件数值模拟分析表面曲率对微瓶腔在赤道面处切向不同模式和传感特性的影响,探讨微瓶在不同表面曲率、膨胀半径时模式特征,并讨论不同表面曲率下不同模式核芯能量百分比,最后对其折射率传感特性进行了分析。结果表明切向二阶模受曲率影响更为明显,内壁曲率平方Δk22=0.008μm-2时Q值高达108,内壁表面曲率越小核芯百分比所占能量越大,且在内壁表面曲率较小时可实现高灵敏度折射率传感。其次搭建石英毛细管腐蚀平台,利用30%浓度氢氟酸溶液腐蚀40分钟,得到壁厚10μm的微毛细管,腐蚀速度达0.25μm/min。同时该实验平台也可以制备不同壁厚的毛细管。采用电火花放电方法制备石英毛细管微泡,并分析毛细管放置电极间位置对微泡形成的影响,制备出球型度较好、直径为240μm石英毛细管微球状微泡。最后对制备出的石英毛细管微泡进行耦合实验。搭建锥形光纤拉制系统,采用氢氧火焰作为热源和步进电机拉制,制备出直径3μm以下的锥形光纤。使用可调谐半导体激光器输出1550nm通信范围波段作为光源,低噪音探测器和示波器采集及显示透射光谱,搭建微泡与锥形光纤耦合平台,调节耦合间距离激发出多种回音壁模式,测得石英毛细管微泡腔在1557.087nm峰值附近数据拟合,品质因子Q值为1.9×105,自由光谱范围FSR约为2.2nm,具有非常好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1.绪论
•   1.1 前言
•   1.2 微腔的分类
•   1.3 回音壁模式（WGM）微腔简介
•   1.4 微腔的应用
•     1.4.1 低阈值激光器
•     1.4.2 高灵敏度传感器
•     1.4.3 窄带滤波器
•   1.5 论文结构安排
• 2.WGM微腔理论基础及微瓶腔模式的数值模拟
•   2.1 微球腔的基本理论和特性
•     2.1.1 微球腔的本征模式
•     2.1.2 WGM基本参数
•   2.2 有限元模拟方法
•   2.3 微瓶腔的结构设计与模式数值模拟
•     2.3.1 结构设计
•     2.3.2 数值仿真及分析
•     2.3.3 微瓶模式的传感特性研究
•     2.3.4 小结
•   2.4 本章小结
• 3.回音壁模式微泡腔的制备
•   3.1 引言
•   3.2 毛细管的腐蚀
•   3.3 电火花方法制备微泡腔
•     3.3.1 理论基础
•     3.3.2 参数的选取及制备过程
•     3.3.3 小结
•   3.4 本章小结
• 4.微泡腔耦合实验
•   4.1 微腔耦合理论
•   4.2 锥形光纤的制备
•   4.3 微泡与锥形光纤耦合
•     4.3.1 耦合平台的搭建和实验过程
•     4.3.2 锥形光纤与微泡耦合实验结果分析
•   4.4 本章小结
• 5.全文总结和今后工作展望
• 参考文献
• 在硕士研究生阶段研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张峰

导师: 吴根柱

关键词: 回音壁模式,石英毛细管微泡,有限元数值模拟,品质因子,锥形光纤耦合

来源: 浙江师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学

单位: 浙江师范大学

分类号: O439;TN253

DOI: 10.27464/d.cnki.gzsfu.2019.000029

总页数: 66

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