光学微球腔及其应用

光学微球腔因其极高的品质因和极小的模式体积，在非线性光学、腔体量子电动力学以及窄带光学滤波、高灵敏度运动传感器、极低阈值激光器等许多研究与应用领域具有广泛的应用前景。文章对光学微球腔的谐振原理、特点、耦合、制备和应用进行了综述。     

基于回音壁模式微球腔的PDH稳频技术

光学微球腔因其回音壁模式可获得极高的品质因数而受到广泛关注.本文分析了Fabry-Perot腔和微球腔的基本原理,通过CO2激光熔融光纤实验制得了直径为1.2 mm的微球腔,并测试了微球腔和锥形光纤耦合结构的耦合特性.采用典型的PDH稳频系统设计了基于微球腔的稳频系统,分析了用于鉴频的误差曲线的吸收特性和色散特性,对比了不同调制频率、微球腔直径、耦合损耗、传输损耗下与误差曲线斜率的关系.结果表明:耦合状态下最大Q值可达到1.1×108,调节微球腔内横磁模和横电模的转换可优化耦合效率,匹配微球腔和锥形光纤的尺寸得到了径向二阶模式的透射谱,误差曲线效率达到15.4A mW/MHz.球腔在提高PDH稳频技术灵敏度上具有巨大潜力.     

扁长型微瓶腔中的回音壁模式选择及Fano谐振

微瓶腔在腔动力学、非线性光学、高灵敏度传感和微型激光器等领域具有非常大的应用潜力.首先,从亥姆霍兹方程出发,详细研究了微瓶腔中的模式场分布理论.利用电弧放电加工方法,制备了扁长型微瓶腔.其次,采用光纤锥波导耦合方式有效激发了微瓶腔中的径向模式和轴向模式,并且通过调节微瓶腔与波导的耦合间隙,实现了对微瓶腔的欠耦合、临界耦合和过耦合三种耦合状态控制.实验中,光谱中回音壁模式得到很好的模式定位和识别,最大品质因子Q值达到1.78×10⁸.通过采用接触式耦合来增强调谐的稳定性,控制不同的耦合位置实现了谐振模式选择性激发,得到了稳定并且干净的谐振光谱.最后,通过选择光纤锥波导直径观察到了Fano谐振效应.所展示的结果对增强微腔传感、非线性光学和腔动力学等应用有重要意义.     

基于回音壁微腔拉曼激光的纳米粒子探测

回音壁模式光学微腔由于其品质因子高、模式体积小等优点, 近年来在非标记性的纳米粒子探测方面得到了广泛的重视, 开展了大量的研究, 取得了重要的进展. 利用回音壁微腔的拉曼激光, 通过测量纳米粒子造成的模式劈裂的拍频, 可以实现不同环境下纳米粒子的实时探测. 与传统的稀土离子掺杂法不同, 这种方法采用腔的内禀增益, 不仅提高了应用回音壁模式微腔进行纳米粒子探测的极限, 而且避免了传统方法中稀土离子能级对泵浦光的限制, 拓展了应用范围. 这种方法还可以应用于其他材料的回音壁微腔, 如硅基微环腔等, 以及光子晶体结构、超材料等受损耗限制的系统中. 本文简单介绍了回音壁模式光学微腔进行纳米粒子探测的基本原理以及最新研究进展.     

氧化石墨烯涂覆的空心微泡腔回音壁谐振模气体传感器

提出了基于氧化石墨烯和空心二氧化硅薄壁微泡腔的光纤气体传感器。将氧化石墨烯涂覆于熔融加压流变成型的薄壁微泡腔内壁,使其整体的有效折射率对于气体吸附敏感。通过拉锥光纤倏逝场在薄壁微泡腔激发出回音壁谐振模,其中心波长与有效折射率(气体体积分数)对应,据此实现腔内气体体积分数的传感测量。实验结果表明,当氨气的体积分数在0～40×10^-6的范围内时,提出的光纤气体传感器的响应呈线性,其传感灵敏度为0.73×10⁶ pm,分辨率为1.9×10^-6。当氨气的体积分数为20×10^-6时,传感器的响应和恢复时间分别是294 s和329 s。空心微腔结构一方面可以作为敏感单元,另一方面可以直接作为气体通道,避免了外部气室的使用或额外气体通道的封装,极大地提高了传感系统的实用性。     

柱形微腔回音壁激光光谱模式的精确标定

由柱形微腔中回音壁模式满足的本征值方程,得到确定回音壁模式位置和间距的近似解析公式。以此近似解析公式,首次对直径在215～328 μm间的5个柱形微腔回音壁激光光谱做了模式标定。在用近似解析公式对柱形微腔激光光谱的数值作拟合的计算中,除了回音壁模的径向模式数(l)和角动量模式数(n)外无需其他拟合参数,解析公式的拟合值和实验激光光谱波长值间的偏差小于0.05 nm,拟合结果精确可靠。柱形微腔回音壁激光光谱模式的精确标定在模式的场分布计算以及频移型微腔生物传感器的研究应用中具有重要作用,文章介绍的方法亦可应用于柱形微腔直径和折射率的精密测量。     

回音壁模式光学微腔传感

回音壁模式光学微腔具有很高的品质因子和较小的模式体积,能极大地增强腔内光场与物质相互作用,已经成为超高灵敏光学传感的优异平台,也是国际学术前沿之一。文章简介了回音壁微腔传感研究现状与热点、微腔传感平台及传感机制原理;着重列举了微腔传感的部分典型应用,例如纳米尺度单个颗粒检测、温度传感、磁场传感、化学气体传感以及压力/应力等物理量传感等;最后对光学微腔传感的研究进行了展望。     

回音壁模式光学微腔的激发模式控制

利用二氧化碳激光器在熔融石英棒上加工出具有超高品质因子的微棒腔,并研究了微腔的曲率、耦合位置以及耦合位置处锥形光纤的半径对激发的模式数量、品质因子以及耦合效率的影响。通过优化加工和耦合过程中的参数,在保证超高品质因子的同时激发出少量模式,有效避免了模式重叠,从而在不同波长下产生了具有频谱光滑包络的孤子光频梳。     

消逝场耦合圆柱形微腔中回音壁模式结构的实验研究

采用石英圆柱形微腔与锥形光纤通过消逝场耦合的方式,在实验上观察到了不同半径的柱形微腔中清晰的回音壁模式,耦合效率接近10%. 利用柱形微腔回音壁模式位置和间隔的解析近似公式,对实验所得的透射光谱做了模式的精确标定,共振波长的实验值和标定值间的误差小于0.05nm. 引入回音壁模式的“模场半径”概念,由“模场半径”计算出的模式间隔和实验测量值之间符合很好. 利用透射光谱中的共振波长和理论标定波长间的差值,得到了实验光谱范围内(1295—1320nm)石英光纤的色散曲线,折射率精度达10^-5. 关键词： 圆柱形微腔 回音壁模式 模式标定 模场半径     

级联声光器件与回音壁模式微腔实现非对称传输

本文提出利用级联声光效应器和耦合回音壁模式微球腔的方案来实现非对称传输效果,并进行理论和实验验证.实验中利用加热拉锥的方式制备了两段式光纤,可同时实现声光效应的激发和回音壁模式的耦合.利用光纤中声光效应将纤芯基模中的矢量模式转换到包层高阶模式,由于基模中不同矢量模式转换包层模式的矢量模式也不同,从而产生类似双折射效果,使输出的包层模式产生偏振变化.而后通过耦合回音壁模式微腔将包层模式转换回纤芯基模.由于回音壁模式的偏振选择效果,使得相反方向入射光能量具有不同的透射特性,其传输隔离度可达17 d B.此外,对两个方向传输的透射率随偏振角度变化进行测试,测得声光效应带来的偏振变化约为80°.本文的非对称传输方案继承了声光器件响应迅速、调谐性良好的优势,同时具有全光纤结构和无工作阈值的特点,在光开关、光隔离器等场景具有重要的应用潜力.     

光学微球腔的壳层结构研究

使用时域有限差分法,对带表面壳层的光学微球腔进行模拟计算,分析了微腔内回音壁模式的能量密度分布,总结了壳层厚度对微球腔谐振性能的影响,并由此探讨对微球腔进行调谐和模式控制的方法.采用这种壳层结构,微球腔的谐振性能得到了有效提高（Q值提高了30％以上,模式体积减小了60％）,为光学微球腔后续的结构设计和实际应用提供了一个新的优化思路.     

回音壁模式光学微腔器件的封装与集成

回音壁模式微腔器件在现代光学中扮演着十分重要的角色,在高灵敏度传感、低阈值激光器等领域具有广泛的应用前景.然而基于回音壁模式微腔的光学系统容易受到振动、温湿度变化等外界环境干扰,这些问题为其实用化带来巨大挑战.近年来回音壁模式微腔器件的实用化问题日益受到关注,大量相关研究被报道.本文简要介绍了关于回音壁模式光学微腔器件封装和集成的最新研究进展.     

具有定向出射的回音壁模式聚合物卵形微腔

基于聚合物材料的回音壁模式卵形微腔,打破了传统微腔的圆对称性,利用微腔边缘波长级的缺口,实现了远场发散角极小的定向出射.通过三维时域有限差分法仿真分析了卵形微腔的回音壁模式及定向输出特性,重点讨论了不同的变形参数对于远场特性的影响.选用最优的变形参数,得到了波长在536 nm附近的回音壁模式的近场、远场的光场分布特性,...     

在纤式回音壁模式微球谐振腔及其传感特性

提出一种在纤式回音壁模式微球谐振腔,并对其温度和折射率传感特性进行研究。首先,分析了不同尺寸的微球腔与光纤结构耦合时的相位匹配情况,以锥形光纤为探针来拾取并移动钛酸钡微球,将其嵌入空心光纤,形成在纤式谐振腔结构,从而在微球中激发回音壁模式,并与空心光纤端面的反射光相互作用,产生法诺共振。实验结果表明,激发的法诺共振峰曲线的斜率高达-99.3 dB/nm。另外,通过实验证明了此结构对温度和折射率均具有较好的传感特性,灵敏度分别为26.8 pm/℃和-244.97 dB/RIU。该谐振腔性能稳定、结构紧凑、加工简单,在纤式的反射结构使其有望在复杂的传感环境中发挥作用。     

光学微球腔的热光效应用于温度传感器研究

为研究光学微球腔的热光效应,采用1550nm波段可调谐激光器和宽带光源两种泵浦源,分别测量了二氧化硅、碲酸盐玻璃微球及其掺杂了稀土离子的微球在激励光功率、环境温度变化时其谐振峰波长的变化量,得到了二氧化硅微球激励功率灵敏度为32.4pm/mW,温度灵敏度为13.4pm/℃;铥离子的掺杂使激励功率灵敏度达到48.7pm/mW,温度灵敏度达到15.2pm/℃.相应的碲酸盐微球激励功率灵敏度为71.1pm/mW,温度灵敏度为0.0191nm/℃,比光纤光栅温度传感器的灵敏度10pm/℃大了将近1倍,若掺杂了稀土离子,则高1.1倍.本文研究对微腔在温度传感器方面的应用具有参考意义.     

基于网络环境的大学物理实验教学改革研究与实践

本文结合我校大学物理实验课程改革的具体实际, 介绍了课程教学的设计理念和课程教学的组织模 式, 通过课程改革的运行, 总结出大学物理实验课程改革对人才培养发挥的作用, 指出了课程改革存在的问题, 以 及解决问题的方法     

“共振”现象的创新教学设计

通过系列实验的改善与创新,结合不同领域的实际应用,增进学生对"共振"现象的认识,理解产生"共振"的条件,体会物理与生活的联系.     

光学微球腔谐振模式研究

使用时域有限差分法对近场耦合状态下的光学微腔进行了计算。系统地研究了微腔中不同阶径向模式的各方面性能的差异。并在此基础上讨论了通过改变耦合参数，选择性增强特定模式的途径。研究了数种非均匀介质微腔的性能改变，指出选择性增强特定模式，可以通过以下两类方法：一是对于均匀介质分布的微腔，通过改变耦合参数来改变修逝波场的场强和相位分布，例如改变入射波的入射角，改变耦合间距。二是通过区域性改变微腔的折射率分布来改变微腔的修逝波场的场强和相位分布，如折射率改变（△n）折射率梯度（dn/dr）。探讨选择性抑制高阶模形成改善微腔性能的途径。使得基模获得到高能量密度，和更低的模式体积为研究原子或离子与微腔的相互作用提供更好的环境。     

基于Internet的大学物理实验教学管理系统的设计

章构建了基于B／S模式的大学物理实验网上教学管理系统,建立了系统的功能模块,并重点讨论了预约功能和系统安全认证的实现。