回音壁模式光學微腔由于其超高的品質因數和極小的模式體積,使之成為研究光與物質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象、微腔折射率調制等方面開展了深入細致的理論和實驗研究。主要研究內容如下:1、結合解析法和有限元方法,求解微球腔和微盤腔內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因數的影響。建立了錐形光纖與光學微球耦合數學模型,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、詳細分析了微腔內熱非線性過程,首次同時考慮微腔內的兩個散熱過程,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】：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 最典型幾種微腔結構（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)生的所有物理現象全都是線性的，那么物理學就會非常之單調，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容[48]。物質與強光相互作用時，介質對光的響應呈非線性，其根源是物質的非線性極化效應。此時光在介質中傳播時會產生新頻率，不同頻率之間的光波會產生耦合。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、自相位調制等[49]。研究非線性光學的意義的在于：首先，開創(chuàng)了產生強相干光源(c) (d)


本文編號：2925397