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。     

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。     

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.     

光学微瓶腔特性及温度传感应用研究

设计并测试了两种基于微瓶腔结构的温度传感系统。分别基于电弧放电法和自主装法制备了氧化硅材料(SiO₂)和紫外光固化胶(UCA)聚合物材料微瓶腔，通过锥形光纤耦合的方式分析了两种微瓶腔基本特性，并测试它们在温度传感中的应用。实验结果表明，SiO₂微瓶腔在温度上升时的灵敏度为11.13 pm/℃，在温度下降时的灵敏度为10.25 pm/℃；UCA微瓶腔在温度上升时的灵敏度为111.89 pm/℃，在温度下降时的温度灵敏度为102.02 pm/℃。两者在上升和下降时均保持很好的一致性，尤其UCA微瓶腔温度灵敏度比SiO₂微瓶腔提升了10倍。本文传感器具有体积小、价格低、可塑性和重复性好、灵敏度高等优势，在温度传感领域具有潜在应用。     

高Q值薄壁液芯毛细管微腔电场传感器

为提高电场传感器的抗电磁干扰能力、灵敏度和稳定性,将高Q值薄壁液芯毛细管微腔和电泳效应结合,增强回音壁模共振微腔对外加电场的感知能力,并进行了实验验证.基于时域有限差分法得到了液芯毛细管微腔回音壁模式共振特性随毛细管直径、壁厚等结构参数的变化规律,发现随着壁厚变薄灵敏度增加.采用熔融拉锥法制备了直径为86μm,壁厚约为2μm的薄壁毛细管微腔,通过高精度位移平台实现了锥形光纤和毛细管微腔的高效率耦合,测得回音壁模式Q值为2.8×10^6.毛细管微腔内注入不同浓度的蛋白质溶液,利用电泳原理和蛋白质分子在缓冲溶液里带电的特性,实现的最大电场传感灵敏度为10.6 pm/(kV/m).     

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。     

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.     

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,...     

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。     

实施圆球微腔特性试验的优化方案探索

研究圆球微腔传感应用的详细实验过程, 给出传感特性验证通用的优化实验方案。微球与环境的折射率差别越小, 半径越小, 其灵敏度越高。加工时应使用高精度热源为佳, 并进行CCD监视, 融化形成球立即停止加热。提出了圆球微腔用作测试水蒸汽的湿敏传感器的应用方向。     

Observation of microlaser with Er-doped phosphate glass coated microsphere pumped by 780 nm

The silica microspheres coated with a thin layer of Er-doped phosphate glass are fabricated and whispering-gallery modes (WGMs) with quality factor of 8 × 10⁶ in the 780 nm band are obtained. We demonstrate that the microsphere can form single-mode and multi-mode microlaser in communication-band with a pumping laser of wavelength 780 nm band. Moreover, the representative lateral emission distributed modes in the microsphere can be directly observed via the upconverted photoluminescence.     

利用腔内量子电动力学效应改变钕玻璃微球荧光谱特性的研究

报道腔内量子电动力学效应对钕玻璃微球荧光谱的影响；分析了光谱中量子电动力学结构的相对强度，同时估算了自发辐射速率的量子电动力学增强。实验证实增强辐度超过１６倍。     

Optical Fiber Excitation of Fano Resonances in a Silicon Microsphere

In this article, Fano lineshape whispering gallery modes were observed in the light scattering spectrum of a silicon microsphere in near-infrared telecommunication wavelengths. A simple model is presented to explain the transition from Lorentzian lineshape to the Fano lineshape resonances with the coupled-mode theory of multiple whispering gallery modes. Polar mode spacing of 0.23 nm is observed in the spectra, which correlates well with the calculated value. The quality factor of the Lorentzian and Fano resonances are on the order of 10⁵. By using an appropriate interface design for the microsphere coupling geometries, Fano lineshape optical resonances herald novel device applications for silicon volumetric lightwave circuits.     

1.3GHz新结构超导实用单胞腔物理设计

报道了一个新设计的单胞腔,其表面电场峰值与加速梯度之比值E_p/E_acc小于1.8.把它做为9胞腔的半端胞时,其中间胞π模的E_p/E_acc可以低到2.024,胞-胞间耦合系数k可高达1.95%.并用阻带模型计算了单胞腔的高次模特性;阐述了超导驻波腔腔形的概念、腔几何参数定义、腔胞和束管设计原则、加速模和高次模计算方法,并讨论了程序计算的可靠性条件.     

Optimization of prism coupling to high-Q modes in a microsphere resonator using a near-field probe

In this paper, we demonstrate a novel method for optimizing the in- and out-coupling of light confined in the fundamental high-Q whispering-gallery mode of a microsphere resonator via an external prism coupler. The technique relies on the use of a near-field probe to map the modes of the resonator and to obtain topographical information at the same time. We demonstrate the feasibility and efficiency of this technique by applying it to a sphere with a radius of 59 μm.     

"两原子-双模腔场"系统的腔场谱

研究了存在偶极相互作用的两等同原子与双模腔场共振相互作用双光子过程的腔场谱,研究发现,当两模初态都为光子数态或相干态时,两模腔场谱之间有很强的相互影响,在两模场强相同时,两划的光谱结构也相同,且在强场下呈现三峰结构;当两模初态场强不同时,较强的一模出现简单的单峰结构,而较弱模光谱中三峰的距离随另一模光子数的增加而增大。当两模均为压缩真空态时,在强场下得到经典共振荧光谱,且两模腔场谱之间的相互影响很弱。     

Linewidth of Semiconductor-Optical Fiber Ring External Cavity Laser with Tunable Optical Fiber F-P Cavity

１ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＮａｒｏｗｌｉｎｅｗｉｄｔｈｔｕｎａｂｌｅｓｉｎｇｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｓａｒｅｎｅｄｆｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｃｏｈｅｒｅｎｔｄｅ...     

Squeezed States of Magnons and Phonons in a Cavity Magnomechanical System with a Microwave Parametric Amplifier

The cavity magnomechanical system has become a promising platform for preparing macroscopic quantum states. In this work, a scheme for generating the steady-state quadrature squeezing of the magnon and phonon modes in a cavity magnomechanical system is presented. This scheme uses a degenerate microwave parametric amplifier (PA) inside the microwave cavity. It is found that the squeezing of the cavity mode produced by the PA can be transferred to the magnon mode due to the cavity-magnon beamsplitter-like interaction, and the squeezing of the magnon mode can be further transferred to the phonon mode due to the magnon-phonon beamsplitter-like interaction induced by driving the magnon mode with a red-detuned microwave field. The effects of the parametric gain and phase of the PA, the magnon-cavity coupling strength, the power of the magnon drive, and the temperature of the environment on the squeezing of the magnon and phonon modes have been evaluated. The results show that the squeezing of the magnon and phonon modes is robust against the temperature of the environment.     

Numerical Simulation and Analysis of a New Type of Complex Cavity for Gyrotron Applications

A new type of complex cavity structure is used to improve the selectivity of modes in gyrotron resonant cavity with a rational position of inter-cavity wall and the shape of coupling holes between inter- and outer-cavities. The resonant characteristics of the complex cavity operating in TE₀₂₁/TE₀₃₁ mode at Ka frequency band are simulated and analyzed with Ansoft HFSS code, which shows that mode competition can effectively be alleviated with the cavity structure and it may be useful to the formation of clustered-cavity for extending interaction frequency bandwidth.