回音壁模式光学微腔的模式激发效率研究

针对回音壁模式(WGM)光学微腔中模式高效激发的需求,基于有限元软件COMSOL对模式电场分布的计算结果,设计了一种对于WGM激发效率的仿真方法.该方法可以对微腔与锥形光纤在不同耦合条件下不同模式的谐振峰最大深度进行仿真计算,从而确定该模式得到高效激发的耦合条件.在此基础上对模式的激发效率控制和高阶方位角模式的激发进行...     

回音壁模式光学微腔及其应用研究进展

近年来,高品质因子的回音壁模式（WGM）光学微腔发展迅速,成为光学和物理领域的热点研究。光学微腔是一种微型光学元件,由于其微小的尺寸和高品质因子,可以加强光与物质的相互作用并使光在其中长时间存留。WGM光学微腔是光学微腔的典型代表之一,具有体积小、灵敏度高和寿命长等优点,目前,基于WGM光学微腔的应用主要集中在各类传感、激光器和滤波器等领域。然而,当前对WGM光学微腔的研究还未实现大规模生产,仅处于实验室研究阶段,工业化生产还存在成本高、制作工艺困难等缺点。文章重点介绍了WGM光学微腔的研究进展,阐述了回音壁材料对Q值的影响,近几年WGM光学微腔在传感、激光器和滤波器领域的应用,并提出了在可能实现全光网络的未来WGM光学微腔存在的挑战及进一步研究方向。对于后续研究,文章认为首先需降低成本、缩短时间,提高制备工艺的精度和效率;其次,需要解决微腔与光学器件耦合的问题,提高耦合效率并提高抗干扰能力;最后,需要解决腔体对环境的敏感性问题,以确保微腔在制备滤波器等器件时具有良好的稳定性。     

波导耦合回音壁模式光学微球腔结构耦合特性分析

提出了一种耦合微球和波导系统的有效方法,并在数值和实验上进行了论证.为了研究微球腔和波导系统的耦合特性,首先通过耦合模理论研究了这个系统的2D模型.通过有限时域差分法设计了一个数值仿真系统.在快速傅里叶变换(FFT)处理样本数据后,得到了波长范围从600 nm到1 000 nm的相对强度谱曲线和传输谱曲线.在实验中,采用熔融单模光纤顶端的方法制得了石英材料微球腔.采用热拉技术制得了锥形光纤,用来作为激发微球腔中回音壁模式的波导.测试了这个微球腔-锥形光纤耦合系统,通过优化微球腔与锥形光纤的相对位置得到其品质因数高达2.3×106,耦合效率高达92.5%.这些耦合特性可以很好地用理论结果解释.这些特性表明了其在实际微腔传感和微型激光器中极具潜力.     

变折射率光学微腔性能研究

本文使用时域有限差分法研究了六种不同折射率分布的圆柱型光学微腔，计算了不同阶径向回音壁模式的能量分布和在棱镜耦合状态下的品质因数，分析了渐变型和突变型折射率分布对微腔性能的影响。在此基础上讨论了通过改变折射率分布来选择性增强特定阶模式和改善微腔性能的途径，这对微腔研究与应用的进一步发展具有一定的指导意义。     

光纤微球谐振腔回音壁模式光学特性的研究

从麦克斯韦尔方程出发,分析了介质微球谐振腔支持的回音壁模式(WGM)分布,针对光纤微球谐振腔这种实现回音壁模式的方式,进行了理论研究和通信传输实验系统的搭建,并阐明了优化的方向,仿真结果表明,实现激发回音壁模式的耦合与传统光波导谐振腔通信传输系统相比,光纤微球谐振腔的回音壁模式通信传输系统具有更深刻的物理内涵和应用价值。     

拉曼增益对回音壁模式光学微腔的全光调制

基于光通信系统对于全光调制和全光开关等的需求,从理论上和实验上研究了拉曼增益对回音壁模式光学微腔系统共振模式的全光调制。理论分析表明,拉曼增益能够补偿回音壁模式光学微腔系统的损耗,进而改变微腔系统的耦合机制,在不对微腔系统做任何机械性移动的前提下实现对系统共振透射率的连续调制。实验中采用光纤锥耦合的二氧化硅微芯圆环腔,利用560W的低功率泵浦光引发的拉曼散射,波长为1 545.7 nm的信号光实现了13.5 dB的调制度,使得系统的耦合机制由欠耦合转化为临界耦合。     

基于回音壁微腔的可见光波段光频梳研究进展（特邀）

基于光学微腔的光频梳具有阈值低、光谱宽及结构紧凑等特点,在精密测量与传感等领域具有重要的应用前景,因此近年来微腔光频梳成为国际研究热点。目前相关的研究都聚焦于红外波段锁模光频梳的产生原理和应用探索,虽然可见光波段的光频梳在精密光谱、原子钟及生物医学等领域有特殊应用价值,但是可见光频梳的实现极具挑战性。文中在简要阐述光频梳产生原理的基础上,介绍了在可见光波段实现光频梳的主要挑战,以及目前三种实现方案的研究进展,包括利用材料的二阶与三阶非线性效应、调节微腔的几何色散和模式强耦合效应调控色散来产生可见光频梳。     

高Q值光学微球腔的温度系数研究

光学微球谐振腔由于其具有超高的Q值及极小的模式体积等优点,在高灵敏度传感和光通信等方面得到了广泛的研究。测试了未封装和封装后微球腔谐振波长随温度的变化,实验结果表明随温度增大,谐振波长线性红移,且线性度高。二者温度系数不同,未封装时为25.6 pm/℃,封装后为4.4 pm/℃,主要原因为紫外胶的负热光系数所致。理论分析了紫外胶的热光效应,通过控制紫外胶厚度可以改变光在紫外胶中的比例,从而调节温度系数。当光在紫外胶中比例为0.1135时,温度系数变为0,可以抑制温度漂移,实现了温度补偿;该比例继续增大,温度灵敏度提高。低温漂、高灵敏度、微型化拓宽了回音壁模式(WGM)传感器的应用潜力。     

锥形光纤微球腔谐振陀螺光学模式非互易性研究

通过Rsoft软件对锥形光纤倏逝场能量分布特性进行仿真,从理论上分析锥形光纤激发微谐振腔非互易性产生的原因。实验中,光纤熔融二氧化硅微球腔通过高精度三维调节架沿光纤方向移动,每次移动相同距离选取测试点,记录光源正反传输情况下微球腔谐振谱线,得到谐振谱线特征参量随倏逝场变化的非互易性变化规律。通过计算微球腔理论鉴频曲线获得非互易性对陀螺动态范围与灵敏度的影响,并提出抑制方法。     

扫描近场光学显微术对InGaP微盘发光模式的研究

采用反射式扫描近场光学显微技术分别对直径为５μｍ和１０μｍ的图钉式ＩｎＧａＰ光学微盘进行了形貌和光致发光的近场图样测量和研究,并与由常规光学荧光显微镜测得的荧光图象相比较．结果表明ＩｎＧａＰ微盘的近场发光图样不仅反映出荧光图象的回音壁模式特征,即沿微盘周界显示为一圈红色亮环,而且证实荧光图像中的红色亮环实际上与更精细的由分立的周期性亮点组成的近场光场分布相对应．结合微盘内部与外部的近场分布可以获得光学微盘中发光模式的重要信息．     

回音壁模高Q蓝宝石谐振器研究与设计

采用径向+轴向模式匹配法完成了蓝宝石回音壁的模式分析,包括高次回音壁模式谐振频率的计算和电磁场分布,并研究了回音壁模谐振器的金属腔体设计等关键问题。制作的高Q蓝宝石谐振器在10.99GHz处,有载Q值达到了45000、插入损耗小于9dB。谐振器性能指标优越,非常适合应用于低相位噪声振荡器设计中。     

Dynamically Modulated GaN Whispering Gallery Lasing Mode for Strain Sensor

The continuous development of strain sensors offers significant opportunities for improving human–machine interfaces and health monitoring. The dynamically modulated lasing mode is a novel approach to realize a flexible, noncontact, high color‐resolvability, high‐resolution, and ultrasensitive strain sensor. Here, a flexible strain sensor perceiving stress variations is reported via the dynamical regulation of a GaN whispering gallery lasing mode based on the piezoelectric effect. The refraction index of GaN shows a linear relationship with the applied external tensile strain, resulting in a redshift phenomenon of the lasing mode peak at room temperature due to the predominant function of the piezoelectric polarization in the GaN microwire. Compared with a strain sensor relying on the wavelength shift of a photoluminescence (PL) emission peak, the differences and advantages of a sensor based on the strain‐induced lasing mode variation are also investigated and analyzed systematically. This strain sensor may serve as an essential step toward the color mapping of mechanical signals by optical methods, with potential applications in color‐perceived touching sensing, noncontact stress measurement, laser modulation, and optical communication technologies.     

一种新的平面回音壁模蓝宝石谐振器模型

基于环状谐振器传输线法(Transmission-line ring resonator)分析建立了单端口和双端口回音壁模平面蓝宝石介质谐振器模型,分别得到了对应的传输公式。并设计制作了一个单端口蓝宝石谐振器,采用新模型可以对原先模型一直无法解释的实验现象作出合理的解释,验证了该模型的有效性。     

Coupled Whispering Gallery Mode Resonators via Template‐Assisted Assembly of Photoluminescent Microspheres

This study reports a facile method for the assembly of large, array style, coupled dye‐doped microsphere resonators by template‐assisted, in which an aqueous suspension of colloidal microspheres assemble on a patterned template. By exploiting the high resolution of 3D (two‐photon) lithography derived templates, closely packed large arrays, hundreds to thousands of dimers with controlled gap spacing, only limited by the size of the substrate can be achieved. Dye‐doped emissive microspheres with Q‐factors >2.5 × 10² can be achieved and trapped into predetermined cavity positions, thereby controlling the distance between adjacent microspheres. This design allows to scale down dimer spacing from usual 400 nm for traditional photolithography to very small spacing of 50 nm. It is found that exciting individual microspheres in the ensemble shows intense optical cavity modes, whereas closely coupled pairs show controlled mode splitting. Coupling between photoluminescent microspheres is strongly influenced by the gap distance, with strong coupling, equating to normal mode splitting, arising as the gap distance is reduced below traditional sub‐micrometer scale. The coupled dimer assemblies are promising candidates for advancing the development of large‐area coupled nanophotonic structures, beyond the spatial resolution‐limited photolithographical derived arrays.     

基于微管腔的光纤激光盐度传感研究

基于光学无源方案的光纤盐度传感器中光与物质的相互作用长度受限,且通常需要单独的流体通道设计,增加了检测复杂度,为此提出了一种基于薄壁微管腔和环腔结构的光纤激光盐度传感器。将薄壁微管腔作为盐度敏感单元和光滤波器,与掺铒光纤相接构成光纤环形谐振腔。通过拉锥光纤耦合在薄壁微管腔激发出回音壁谐振模,其中心波长与盐度线性对应,实现薄壁微管腔内溶液盐度的传感测量。与无增益的微管腔透射谱相比,激光可以提供具有更高信噪比和更窄线宽的传感信号。实验结果表明,在0‰—45‰盐度范围内,提出的光纤激光盐度传感器的传感灵敏度为36.5 pm/‰,线性度达到0.99924,盐度测量误差小于±0.751 3‰,最小探测极限为0.485 5‰,且不需要额外的流体测量通道,有望成为海洋盐度探测的有力工具。     

蓝宝石谐振体与其回音壁模

本文采用模匹配方法(mode matching method)计算了单轴各向异性圆柱形介质谐振体的回音壁模频率.对一圆柱形蓝宝石单晶体谐振体的实验测量,验证了该模匹配方法能给出精确的回音壁模频率值.     

有机微腔发光的研究进展

分别介绍了小分子和聚合物平面微腔发光的发展历史、研究现状和国际上的最新进展,并提出以后的发展方向,指出对微腔的研究不但可以深化人们对空间限域条件下光子与分了相互作用的认识,还可以推动有机EL的实用化进程。     

氧化锌纳米棒中自发辐射的回音壁模腔增强

应用气相传输法制备了氧化锌纳米线和具有六方对称截面的纳米棒,利用电子扫瞄显微镜,X-射线衍射仪等进行形貌与结构表征。室温下,用355nm激光脉冲,以260 W/cm2相同光强激励条件,分别测量其光致发光(PL)谱,在棒状样品中发现393nm有发光峰,而线状样品是在382nm处。二者相比,棒状样品的紫光波段自发辐射光强增加、频谱展宽、中心波长红移和绿光波段辐射被显著抑制。基于半导体材料的能带理论、激子复合发光理论和费米黄金定则等,对样品PL谱差异原因进行理论分析,结果表明上述现象源于棒状样品中回音壁模谐振腔(WGMRs)的自发辐射增加。利用强激励条件下样品光致发光谱,验证了实验结果与理论分析结果较好吻合。