基于宇称-时间对称的微腔单向出射研究

论文摘要

基于回音壁模式的光学微腔成了近年来的研究热点。其高品质因子和低阈值性,在集成光学和信息光学等领域中有着很好的应用前景。目前光学微腔的形状也多种多样,主要包括微球腔、微环腔、微盘腔。本文主要研究了将微盘腔内引入圆孔和散射粒子后出射端的各种现象,并通过引入折射率虚部调制的宇称-时间对称（Parity-time symmetry,简称PT对称）结构来进一步影响微腔内部射线动力学,从而对微腔的模式选择以及对微腔出射端激光的方向性产生影响。对环形腔而言,本文分析了向圆形微盘中引入非同心圆孔时低阶模与高阶模之间的耦合情况,得出结论:方向性差的低阶模能通过与方向性好的高阶模的耦合来获得良好的单向出射。通过模式分析法,找到了环形腔能够实现单向出射的原因。对点散射腔来说,当散射粒子恰好位于圆盘的焦点处,腔内特定模式的光可以有效地沿逆聚焦路径散射和传播,从而实现激光的单向出射。上述机制用到了COMSOL Multiphysics软件进行本征模式分析,并运用了MATLAB程序对模式的角动量分布进行了计算。通过对环形腔和点散射微腔的分析,得出了其产生激光单向出射的局限性:具有更高质量品质因子的模式往往拥有更差的方向性,而那些方向性较好的模式却拥有相对较低的品质因子,因此难以被激发。本文引入了PT对称结构解决这一问题。系统在满足PT对称情况下其本征值可以为实数,其整体增益和损耗相平衡为中性。而在某些条件下,系统的PT对称性被打破,此时系统的本征值不再是实数,通常只有一个模式满足增益条件,从而实现单模出射。通过应用PT对称性的简单概念,我们证明了具有良好设计的方向性的共振可以在光学微腔中被选择性地激发。此外,本文还发现了圆形微盘腔中折射率虚部上的PT对称调制会影响内部射线动力学这一现象,从而首次实现不改变微盘结构也能够产生高度定向的激光发射。以前面的环形腔设计理论为标准,将内圆中镀上与外圆调制恰好相反的PT对称结构,通过打破PT对称性,同时实现了单向激光发射和单模操作。该研究可以推动PT对称系统的基础研究和实际应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究意义
•   1.2 微腔的单向出射性及PT对称结构的研究现状
•     1.2.1 基于弱耦合理论的环形腔的单向出射
•     1.2.2 基于点散射理论的光学微腔的单向出射
•     1.2.3 变形微腔的单向出射
•     1.2.4 实现圆形微盘的方向性输出和单模的操作
•     1.2.5 PT对称条纹激光器
•     1.2.6 双腔微环系统打破PT对称激光器
•     1.2.7 无阈值打破PT对称的环形激光器
•   1.3 本文的主要研究工作
• 第2章 光学微腔的回音壁模式特性及PT对称理论
•   2.1 引言
•   2.2 光学微腔的波动理论
•     2.2.1 微腔的光学理论基础
•     2.2.2 COMSOL的数值分析法
•   2.3 PT对称理论研究
•   2.4 本章小结
• 第3章 变结构WGM微腔的单向出射研究
•   3.1 引言
•   3.2 强耦合与弱耦合
•   3.3 环形腔的单向出射研究
•   3.4 点散射腔的单向出射研究
•   3.5 环形腔与点散射腔的对比
•   3.6 本章小结
• 第4章 基于变结构微盘的PT对称调制研究
•   4.1 引言
•   4.2 环形腔中打破PT对称性的研究
•   4.3 点散射腔中打破PT对称性的研究
•   4.4 本章小结
• 第5章 打破PT对称系统的新型调制结构
•   5.1 引言
•   5.2 新型PT调制微盘的设计
•   5.3 新型PT调制微盘的原理分析
•     5.3.1 庞加莱面与Husimi变换
•     5.3.2 微腔内部射线动力学分析
•   5.4 新型PT结构激光器在实验上的可行性分析
•   5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 朱丹荔

导师: 宋清海

关键词: 环形微腔,点散射微腔,本征频率,单向出射,单模出射,对称

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: TN25

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.006354

总页数: 64

文件大小: 3754k