【摘要】：回音壁模式光學微腔由于具有高品質(zhì)因子、低模式體積和良好的可集成性,在高靈敏度傳感器、非線性光學、微型激光器、光信息處理、腔光力學和量子信息等領域取得了重要的發(fā)展和應用。為提升微腔的品質(zhì)因子等性能,人們在微腔中摻雜稀土離子等光學增益材料制成主動腔。然而主動腔的制作過程相對復雜,而且其泵浦光源和工作范圍受到稀土離子等摻雜物質(zhì)的泵浦帶和發(fā)光帶的限制。因此我們試圖以微腔材料中普遍存在的拉曼過程代替增益物質(zhì)的摻雜,減除額外的加工成本,避免摻雜引入的微腔損耗,同時放寬對泵浦激光和工作范圍波長的限制。本論文圍繞回音壁模式光學微腔的拉曼調(diào)制,主要開展了以下三方面的研究:一、利用回音壁微腔拉曼激光檢測納米粒子。我們同美國圣路易斯華盛頓大學的楊蘭教授的研究組合作,利用二氧化硅回音壁微腔的拉曼增益補償微腔損耗,提升粒子檢測的分辨率,并通過微腔拉曼激光模式劈裂產(chǎn)生的自參照的拍頻,實現(xiàn)了對半徑低至10 nm的單個納米粒子的檢測和計數(shù)。實驗達到了創(chuàng)紀錄的極化率靈敏度(3.82×106μm3)。二、通過拉曼增益調(diào)控回音壁微腔系統(tǒng)的耦合機制。我們從理論和實驗上研究了不同耦合條件下,波導耦合的回音壁微腔的透射譜隨拉曼增益的變化。實驗顯示拉曼增益的大小不僅影響著透射譜的線寬,還能改變系統(tǒng)的耦合機制。在此基礎上,我們通過施加拉曼增益,在不移動任何單個光學元件的前提下,實現(xiàn)對微腔-波導系統(tǒng)耦合機制的連續(xù)調(diào)控。這種調(diào)控達成了此前類似方法無法實現(xiàn)的從欠耦合向過耦合方向的調(diào)節(jié),還在調(diào)控過程中提高了譜線的分辨率,對光學微腔系統(tǒng)的雙向全光調(diào)節(jié)具有重要意義。三、利用二氧化硅的受激拉曼損耗調(diào)控回音壁微腔系統(tǒng)的耦合機制。我們首次研究了二氧化硅的受激拉曼損耗對回音壁微腔系統(tǒng)的影響,并在此基礎上利用逆拉曼散射改變了微腔腔內(nèi)損耗,實現(xiàn)了對光纖錐耦合的微芯圓環(huán)腔系統(tǒng)耦合機制的全光調(diào)節(jié)。我們在不改變微腔或光纖錐位置的前提下,通過注入低功率的泵浦光,將系統(tǒng)由深度過耦合調(diào)控到臨界耦合。實驗中共振透射率降低了19.58dB,遠高于此前硅微環(huán)腔達到的9dB的對比度,而且相比硅微環(huán)腔,本方案不受雙光子吸收和自由載流子吸收等效應的干擾。
[Abstract]:Echo wall mode optical microcavity has high quality factor, low mode volume and good integration, in high sensitivity sensor, nonlinear optics, micro laser, optical information processing, Cavity optics and quantum information have been developed and applied. In order to improve the quality factor and other properties of the microcavity, the active cavity is made by doping rare earth ions and other optical gain materials in the microcavity. However, the fabrication process of active cavity is relatively complex, and its pump source and working range are limited by the pump band and luminescent band of rare earth ions and other doped materials. So we try to replace the gain material doping with the Raman process which is widely used in the microcavity material, reduce the extra processing cost, avoid the microcavity loss caused by doping, and relax the restrictions on the pump laser and the operating range wavelength. In this thesis, we focus on the Raman modulation of echo-mode optical microcavity, which is mainly studied in the following three aspects: first, using the resonator Raman laser to detect nanoparticles. We are working with Professor Yang Lan of Washington University in St. Louis, USA, to use the Raman gain of the silicon dioxide echo wall microcavity to compensate for the loss of the microcavity and to improve the resolution of particle detection. By using the self-reference beat produced by the mode splitting of micro-cavity Raman laser, the detection and counting of a single nanoparticle with a radius of as low as 10 nm is realized. The experiment has achieved a record polarizability sensitivity (3.82 脳 106 渭 m ~ 3). Secondly, the coupling mechanism of the microcavity system is regulated by Raman gain. We have theoretically and experimentally studied the variation of the transmission spectrum of the waveguide coupled echo microcavity with the Raman gain under different coupling conditions. The experimental results show that the Raman gain not only affects the linewidth of the transmission spectrum, but also changes the coupling mechanism of the system. On this basis, we realize the continuous control of the coupling mechanism of microcavities and waveguides without moving any single optical element by applying Raman gain. This kind of regulation not only achieves the adjustment from undercoupling to over-coupling, but also improves the resolution of spectral lines in the process of regulation, which is of great significance to the bi-directional all-optical modulation of optical microcavity system. Thirdly, the coupling mechanism of microcavity system of echo wall is regulated by stimulated Raman loss of silicon dioxide. The effect of stimulated Raman loss of silicon dioxide on the microcavity system of echo wall is studied for the first time, and on this basis, inverse Raman scattering is used to change the loss of microcavity. The all-optical adjustment of the coupling mechanism of the microcore ring cavity system with fiber conical coupling is realized. Without changing the position of microcavity or fiber cone, the system is controlled from deep over-coupling to critical coupling by injecting low power pump light. The resonant transmittance is reduced by 19.58 dB, which is much higher than the contrast of 9dB achieved by the silicon microring cavity. Compared with the silicon microring cavity, the scheme is not interfered by the effects of two-photon absorption and free carrier absorption.
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O43

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 李小紅,朱遵略;微腔物理的現(xiàn)狀及其發(fā)展前景[J];新鄉(xiāng)師范高等專科學校學報;2003年02期

2 馬鳳英 ,劉星元 ,王立軍;有機微腔發(fā)光的研究進展[J];液晶與顯示;2001年04期

3 劉星元,馮紀蒙,劉云,梁春軍,趙東旭,洪自若,趙家民,鄂樹林,李文連,虞家琪,王立軍;多模發(fā)射的單層有機光學微腔[J];發(fā)光學報;1999年04期

4 張春玉;劉星元;套格套;王立軍;;耦合結構有機微腔的光致發(fā)光特性[J];發(fā)光學報;2007年03期

5 鄭厚植;半導體微腔物理及其應用[J];半導體學報;1997年07期

6 趙紅東,陳國鷹,張存善,張以謨,沈光地;量子阱垂直腔面發(fā)射激光器及其微腔物理[J];激光與光電子學進展;2001年04期

7 張春玉;陸景彬;孫成林;秦莉;肖力光;任慧;王成;;微腔有機電致發(fā)光器件的角度依賴性[J];發(fā)光學報;2009年06期

8 張春玉;陸景彬;郭樹旭;郜峰利;王洪杰;曹軍勝;;微腔有機電致發(fā)光器件的諧振腔反射鏡性能[J];發(fā)光學報;2010年04期

9 劉祖剛,唐春玖,趙偉明,張志林,蔣雪茵,許少鴻;具有微腔結構的有機電致發(fā)光器件[J];光學學報;1997年07期

10 林金蘭;范劍紅;林金忠;陳春華;;基于貝塞爾函數(shù)的矩形微腔共振頻率分析[J];莆田學院學報;2014年02期

相關會議論文 前10條

1 岳守振;王鵬;趙毅;;微腔有機電致發(fā)光器件光學特性的模擬研究[A];全國第15次光纖通信暨第16屆集成光學學術會議論文集[C];2011年

2 王立軍;寧永強;劉星元;;微腔物理及微腔激光[A];新世紀 新機遇 新挑戰(zhàn)——知識創(chuàng)新和高新技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展（上冊）[C];2001年

3 楊立功;吳鵬;秦曉蕓;顧培夫;陳海星;劉旭;;雙金屬鏡微腔結構中單介質(zhì)調(diào)諧層的設計[A];大珩先生九十華誕文集暨中國光學學會2004年學術大會論文集[C];2004年

4 賈銳;江德生;譚平恒;孫寶權;;玻璃球形微腔中的量子點[A];第一屆全國納米技術與應用學術會議論文集[C];2000年

5 楊立功;吳鵬;秦曉蕓;顧培夫;陳海星;劉旭;;雙金屬鏡微腔結構中單介質(zhì)調(diào)諧層的設計[A];2004年光學儀器研討會論文集[C];2004年

6 劉濤;張?zhí)觳?王軍民;彭X墀;;微腔中的光學耦極俘獲[A];第十屆全國量子光學學術報告會論文論文集[C];2002年

7 謝澤鋒;周翔;;高效率金屬微腔OLEDs性能的研究[A];第11屆全國發(fā)光學學術會議論文摘要集[C];2007年

8 王海華;孫賢明;類成新;;空心圓柱微腔諧振模式研究[A];第十七屆全國光散射學術會議摘要文集[C];2013年

9 楊旭;龍桂魯;彭博;SahinKaya 銉zdemir;楊蘭;;超高品質(zhì)因子光學微腔中的拉曼激光及其應用[A];第十六屆全國量子光學學術報告會報告摘要集[C];2014年

10 蔡林濤;時喜喜;李莎;;多孔硅微腔光學晶體的結構調(diào)控和生化傳感器[A];第十一次中國生物物理學術大會暨第九屆全國會員代表大會摘要集[C];2009年

相關博士學位論文 前10條

1 居冬泉;表面等離激元微腔共振特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

2 范會博;基于溶膠凝股薄膜的新型片上氧化硅微型激光器[D];南京大學;2015年

3 王冠中;基于片上回音壁模光學微腔及微腔耦合系統(tǒng)的光力振蕩[D];南京大學;2016年

4 楊旭;回音壁模式光學微腔的拉曼調(diào)制及其應用[D];清華大學;2016年

5 馬鳳英;有機微腔發(fā)光特性研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2005年

6 楊勇;固態(tài)光學微腔的實驗研究[D];中國科學技術大學;2008年

7 董廣大;微腔與光學微納結構的模式耦合研究[D];北京理工大學;2015年

8 仇善良;光學回音壁模微腔模式特性的理論研究與優(yōu)化設計[D];中國科學技術大學;2010年

9 趙家民;有機微腔電致發(fā)光的物理與器件研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2002年

10 董春華;回音壁模式微腔量子電動力學的實驗研究[D];中國科學技術大學;2011年

相關碩士學位論文 前10條

1 林秦;量子態(tài)的MIN和回音壁微腔實驗研究[D];福建師范大學;2015年

2 張楠;內(nèi)邊界變形環(huán)形微腔的定向出射及其應用的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

3 顧進益;金屬包覆圓柱微腔的表面等離子激元研究[D];南京大學;2014年

4 王聰;回音壁模式球微腔的制備及其應用研究[D];浙江師范大學;2015年

5 吳遠武;微腔效應在有機電致發(fā)光二極管中的研究與應用[D];南京郵電大學;2015年

6 常龍;基于有源—無源光學微腔耦合系統(tǒng)的宇稱時間對稱與可調(diào)諧光學隔離[D];南京大學;2014年

7 徐俊杰;小孔圓盤復合結構微腔諧振器的制備與研究[D];吉林大學;2016年

8 韓效馳;光學塔姆態(tài)—微腔模式雜化態(tài)在聚合物太陽能電池中的應用[D];吉林大學;2016年

9 魏曉村;內(nèi)置懸梁式光纖微腔的制備及其聲波傳感特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

10 沈梅霞;回音壁微腔的光學特性研究[D];福建師范大學;2016年

，

本文編號：2278937