回音壁微腔的光学特性与传感应用研究

论文摘要

近年来,微纳结构光子器件发展迅速,这种器件具有对光进行感知、传输、操控等诸多功能,回音壁模式(WGM)微腔是其中之一,它具有品质因子极高、模式体积小、能够极大地促进光与物质的相互作用等优点,在量子通信、非线性光学、极窄带滤波、各种物理量的传感等领域具有很好的应用前景。随着微纳加工工艺的逐步提高,回音壁微腔已经开始向小型化、器件化的实际应用方向发展。本文针对回音壁微腔的光学特性及其传感应用中存在的相关问题进行研究,主要包括WGM微腔与光纤锥耦合系统的理论模型,耦合波方程及其求解,相位/尺寸匹配问题,微球腔、微柱腔与光纤锥的耦合特性与封装技术,并对WGM微腔在高灵敏度气体、折射率传感领域的应用进行了研究。所做得研究内容和取得的研究成果如下:(1)基于光波的电磁场理论,表征WGM微腔的几个关键的物理参量,以微球腔与微柱腔及其和光纤锥耦合的理论模型,分析讨论了微腔的尺寸以及微腔与波导耦合间距对耦合特性的影响规律,为后续实验奠定了理论基础。提出了微球腔和微柱腔的电弧放电制备有效方法,用热拉法制备了锥区直径2微米并满足绝热近似条件的光纤锥结构,搭建耦合系统,得到了微腔与光纤锥的回音壁模式谐振谱,同时验证了理论模拟结果。(2)提出了一种新的耦合系统封装方案。微腔与波导的高效、稳定耦合是目前回音壁模式研究领域中的一个难题。针对这一问题,我们设计并制作了一个具有特殊结构的亚克力材质基底,结合紫外胶在不影响微腔/光纤锥耦合系统的前提下,实现了回音壁模式微腔的高效率封装。并对封装后器件的谐振谱进行了测试,结果表明封装工艺基本不会对耦合效率产生影响,封装后的耦合系统仍然保持了10~5的高品质因子。(3)针对高灵敏度传感领域的应用需求,试制了基于WGM微球谐振腔型湿度传感器和微柱谐振腔型氨气传感器。对传感器的湿敏特性、长时间稳定性、以及温度对传感器的影响进行了系统的分析。对海藻酸钙的湿敏特性和引入湿度传感可行性进了研究,结果表明,与传统湿敏材料相比,海藻酸钙具有更好的湿敏特性并且结构稳定,耐高温。基于此提出了海藻酸钙包覆的微球谐振腔湿度传感器,分析了传感器谐振谱的FSR、Q值特征、镀膜厚度对Q值得影响,进行了实验验证,根据理论和测量结果计算了传感器的最小分辨率等性能。针对超低浓度氨气检测的特点和需求,提出了基于硅胶涂覆的微柱谐振腔型氨气传感器,并对传感器的响应时间、光谱漂移规律、稳定性和重复性等性能进行分析和讨论,结果表明,该传感器能够实现对空气中氨气的高灵敏度检测。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略语对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 回音壁模式微腔简介
•   1.3 回音壁模式微腔研究现状
•   1.4 基于回音壁模式的高灵敏度传感器应用现状
•     1.4.1 温度传感
•     1.4.2 压力传感
•     1.4.3 电磁场传感
•     1.4.4 气体传感
•     1.4.5 生物传感
•   1.5 WGM微腔传感器应用中亟待解决的问题
•   1.6 本论文工作及研究意义
•     1.6.1 本论文研究意义
•     1.6.2 论文章节安排
• 第二章 回音壁模式理论基础
•   2.1 WGM微腔理论模型简介
•   2.2 回音壁模式微腔的传统模型
•   2.3 WGM微腔的表征参数
•     2.3.1 Q值
•     2.3.2 光子寿命
•     2.3.3 自由光谱范围
•     2.3.4 模式体积
•   2.4 WGM微腔电磁场理论模型
•     2.4.1 微球腔的WGM求解
•     2.4.2 准柱形腔和瓶口腔的WGM求解
•   2.5 WGM微腔的耦合理论
•     2.5.1 耦合方法
•     2.5.2 耦合波方程
•     2.5.3 微球腔与光纤锥耦合中的相位匹配
•   2.6 本章小结
• 第三章 微腔及光纤锥的制备、耦合与表征
•   3.1 回音壁模式微腔的制备
•     3.1.1 球形微腔的制备
•     3.1.2 准柱形腔的制备
•   3.2 光纤锥的制备
•   3.3 不同类型WGM微腔耦合与表征
•     3.3.1 微球腔的耦合谐振谱
•     3.3.2 准柱形腔的耦合谐振谱
•   3.4 本章小结
• 第四章 光学微腔封装器件的制作及其性能测试
•   4.1 光学微腔的封装结构
•     4.1.1 现有的封装结构
•     4.1.2 封装结构的提出
•   4.2 耦合系统的封装方法及系统搭建
•   4.3 微球腔/锥形光纤耦合封装器件的性能及测试
•   4.4 本章小结
• 第五章 基于微球回音壁模式的高灵敏度湿度传感器
•   5.1 光学谐振腔湿度传感简介
•   5.2 基于微球谐振腔回音壁模式的湿度传感器
•     5.2.1 传感器制作与分析
•     5.2.2 相对湿度测试与结果分析
•   5.3 湿敏材料的选择
•     5.3.1 常用湿敏材料
•     5.3.2 海藻酸钙水凝胶
•     5.3.3 结合CaAlg的光纤湿度传感研究
•   5.4 涂覆海藻酸钙的微球谐振腔湿度传感器
•     5.4.1 传感器的结构与光谱分析
•     5.4.2 相对湿度与谐振光谱的依赖关系
•     5.4.3 膜厚对微球腔Q因子的影响
•     5.4.4 传感器的检测极限
•     5.4.5 传感器的稳定性
•     5.4.6 传感器的温度响应
•   5.5 本章小结
• 第六章 基于硅胶涂覆的微柱谐振腔型氨气传感器
•   6.1 氨气传感现状简介
•   6.2 基于微柱谐振腔的氨气传感器
•     6.2.1 微柱腔镀膜
•     6.2.2 实验装置
•     6.2.3 实验结果与讨论
•   6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
•   7.1 全文总结
•   7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士/硕士学位期间取得的科研成果
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 梁磊

导师: 忽满利

关键词: 光学微谐振腔,回音壁模式,封装技术,微腔传感器

来源: 西北大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 西北大学

分类号: O43

总页数: 124

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