光学微腔的定向出射及模式研究

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回音壁模式的光学微腔可以使用连续或完全反射将光局域于腔中。因此回音壁模式的光学微腔拥有高品质因子(Q)、小模式体积(V)等优点。这大大提高了微腔中光和物质的相互作用能力,在量子通信,非线性光学,生物传感以及激光器领域均有相当多的应用。然而由于回音壁模式光学微腔的高旋转对称性,增加了光的收集和信号获取的难度。为了打破微腔的旋转对称性实现定向激光出射,人们设计了各种变形腔。本文设计了一种微腔级联模型,基于游标效应扩大了微腔的自由光谱范围(FSR),然后在微腔上直接连接波导,选择合适的波导连接微腔的位置,不仅不会降低微腔的品质因子,而且还能有效抑制微腔内部的高阶共振模式,实现微腔的定向单模激光出射。具体包括以下内容:结合了回音壁模式光学微腔的国内外发展状况,介绍了几种典型的回音壁模式微腔以及微腔的应用。并对回音壁模式微腔的工作原理进行分析,包括影响微腔性能的主要参数、微腔中的模式特性以及常用光学仿真软件的算法原理。通过FDTD Solutions进行仿真计算,并通过扫描微腔与波导的间距及波导的宽度计算对激光定向出射效率的影响,保证较高Q因子的同时,获取微腔和波导的耦合效率。此外,还分析两个不同尺寸微腔间的游标效应,设计多组不同大小的微腔来实现并验证游标效应,并基于此单个微腔的定向激光出射设计了两个半径不同的微腔级联模型。级联的微腔出现了游标效应,使得微腔的自由光谱范围(FSR)扩大了十几倍,抑制高阶共振的同时,在一段波长范围内,只出现一个光谱峰值。将波导与微腔直接相连,在单模情况下实现微腔激光的定向出射。研究了波导直接连接微腔弱场时的定向激光出射。并发现两个耦合的微球腔内出现了四边形模式。由于四边形模式相比较其他模式更加稳定,同时保持较高的品质因子(Q),基于波导连接在四边形模式微腔的弱场位置,在不破环腔内稳定四边形模式的同时,获得了微腔激光沿波导高达82%的出射效率。并利用该结构的单模优势,进行传感测试,最终得到了较高的传感灵敏度。最后讨论了涂覆有荧光高折射率薄膜微环腔的模式劈裂在纳米颗粒传感方面的应用。综上,本文以回音壁光学微腔为研究平台,结合国内外研究热点,提出了一种级联双微腔与波导弱场耦合的结构,在保证较高品质因子的同时实现了激光的定向出射。同时由于器件成本较低,为微腔激光和传感等方面的理论和应用研究提供了支持。
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