發(fā)布時間：2020-12-19 06:06

　　回音壁模式光學微腔由于其超高的品質(zhì)因數(shù)和極小的模式體積,使之成為研究光與物質(zhì)相互作用的典型器件,得到廣泛關注。本文針對高Q值回音壁模式光學微腔內(nèi)的熱非線性光學效應,特別是在微腔模式理論、器件制作工藝、微腔熱動力學模型與熱振蕩現(xiàn)象、微腔折射率調(diào)制等方面開展了深入細致的理論和實驗研究。主要研究內(nèi)容如下:1、結(jié)合解析法和有限元方法,求解微球腔和微盤腔內(nèi)回音壁模式的場分布,給出了微腔諧振頻率和模式體積的近似解析算法,分析了微腔各種損耗機制對品質(zhì)因數(shù)的影響。建立了錐形光纖與光學微球耦合數(shù)學模型,詳細分析了其近場耦合相位匹配條件,以及欠耦合、臨界耦合、過耦合狀態(tài)對微腔Q值和透過譜的影響。2、搭建錐形光纖拉伸系統(tǒng),研究了錐形光纖和微球腔的制作工藝,通過工藝優(yōu)化制備了高精度的低損耗錐形光纖(小于0.3d B)和高Q值二氧化硅微球腔(107~108),搭建了微腔測試平臺;研究了二氧化硅微盤的批量化制作工藝技術,提出了減小表面粗糙度的工藝措施,研制出表面粗糙度達到1.7nm硅襯底二氧化硅微盤。3、詳細分析了微腔內(nèi)熱非線性過程,首次同時考慮微腔內(nèi)的兩個散熱過程,修正了微腔熱動力學模型,分析了不同掃描速度下兩... 

【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所)吉林省

【文章頁數(shù)】：129 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

（a）紐約圣堡羅大教堂和（b）北京天壇回音壁(a)

圖 1. 2 最典型幾種微腔結(jié)構(gòu)（a）二氧化硅微球腔 Q 值 109[22]（b）氟化鈣微盤腔 Q 值 1011[10（c）硅微盤腔 Q 值 106[23]（d）二氧化硅微盤腔 Q 值 107[25]（e）二氧化硅超微環(huán)腔 Q 值 108[26（f）超高 Q 二氧化硅微盤腔 Q 值 109[29]1.1.2 回音壁光學微腔的應用隨著光學微腔制備工藝的成熟，光學微腔在越來越多的領域得到應用。近年來在低閾值激光器[30-33]、高靈敏度生化傳感[34-37]、聲光耦合[38-42]、腔量子電動力學[43-45]等領域都取得了豐碩成果。如圖 1.3 所示是微腔在各領域中成功的應用，（a）2002 年 Vahala 課題組在錐形光纖耦合的鐿鉺共摻磷酸鹽玻璃微球中實現(xiàn)了低閾值的激光發(fā)射，閾值為 60μw[33]；（b）顯示了最近加州理工大學 Takao Aok等人在實驗中實現(xiàn)了單個銫原子和微環(huán)腔的強耦合[46]；（c）2008 年哈佛大學Frank Vollmer 報道的利用高 Q 值微球腔實現(xiàn)了單分子檢測[35]；（d）2011 加州理工學院 Lu Tao 等人利用微環(huán)腔實現(xiàn)了直徑為 12.5nm 的納米顆粒的檢測[47]。

圖 1. 3 光學微腔廣泛的應用領域（a）低閾值微腔激光（b）銫原子與微腔耦合（c）高靈敏度生物檢測（d）單納米粒子探測1.2 微腔內(nèi)非線性光學的研究1.2.1 非線性光學的研究意義如果在我們周圍所發(fā)生的所有物理現(xiàn)象全都是線性的，那么物理學就會非常之單調(diào)，而生活也會顯得極其枯燥無味。幸運的是，我們生活在一個非線性的世界里，線性化使物理的規(guī)律看起來顯得簡單優(yōu)美，然而非線性卻使光學世界變得如此奇妙、豐富多彩，充滿了令人興奮的內(nèi)容[48]。物質(zhì)與強光相互作用時，介質(zhì)對光的響應呈非線性，其根源是物質(zhì)的非線性極化效應。此時光在介質(zhì)中傳播時會產(chǎn)生新頻率，不同頻率之間的光波會產(chǎn)生耦合。非線性光學研究范圍十分廣泛，如光學混頻、參量振蕩、受激散射、自聚焦、自相位調(diào)制等[49]。研究非線性光學的意義的在于：首先，開創(chuàng)了產(chǎn)生強相干光源(c) (d)


本文編號：2925397