基于回音壁模式微泡腔的流速传感应用

基于黏性流体的伯努利效应原理,利用回音壁模式微泡腔高品质因子与具有天然微流控通道的特性,提出一种基于回音壁模式微泡腔的流速传感器。理论分析了黏性流体流动时由于黏滞损耗引起的压强损失,仿真分析了不同流速范围内流动速度和压强之间的关系,发现二者之间表现出良好的线性依赖,沿程损耗是引起压强损失的主要因素;恒定流速下微腔内部为均匀的正压分布,会引起谐振波长红移。实验制备了壁厚约为2μm的微泡腔,并搭建流速传感实验测试系统。在3~106μL/min流速范围内,流速增加时,谐振波长发生红移,并且波长偏移与流速之间满足良好的线性关系,拟合得到流速传感灵敏度为0.047 pm/(μL/min),检测极限为0.635μL/min。该流速传感器结构简单、易于制备、低成本且检测极限较低。

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.

回音壁模式光学微腔中的电磁诱导透明现象

电磁诱导透明是一种通过施加外部光场操控介质光吸收和色散属性的物理现象。在经典光学系统中两个耦合光学模式所产生的干涉效应也能够产生电磁诱导透明现象。回音壁模式光学微腔凭借高品质因子和微小模式体积的优势,成为实现电磁诱导透明的重要光学平台之一。回顾了自2017年以来基于回音壁模式光学微腔平台在实验层面取得的关于电磁诱导透明现象的部分研究进展,阐述并分析了这些研究实现电磁诱导透明的机理,为理解并实现电磁诱导透明提供了新的视角。

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（英文）

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.

基于回音壁模式微球腔的PDH稳频技术（英文）

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1.2mm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.

光纤回音壁模式的三波段激光辐射研究

将石英光纤浸入低折射率的激光染料溶液中构成圆柱形微腔.采用沿光纤轴向光抽运的消逝波激励增益方式,获得了沿光纤轴向长距离的激光染料增益,受激辐射光在圆柱形微腔中回音壁模式的支持下形成激光振荡.在直径为288μm的同一根光纤外分三段分别填入罗丹明6G、罗丹明610和罗丹明640激光染料乙二醇溶液,实现了波长分别在567～575nm、605～614nm和656～666nm三个不同波段的回音壁模式激光振荡,用一根光纤同时获得了红、橙、黄三种不同颜色的激光辐射.对实验所获得的回音壁模式激光光谱做了模式标定,依据标定的模式数计算了各种模式以及抽运光在光纤截面的强度分布.计算结果表明,激光增益区域总是局限在圆柱形微腔回音壁模式的模场区域内,由此可以显著地提高抽运效率,增加抽运光沿光纤轴向的增益长度.

回音壁模式圆盘形微谐振腔的设计及特性研究

针对光通信波段,分析了标准圆盘形结构和其他三种变体结构的WGM微谐振腔,讨论了通过改变传输波导和微腔之间的间距以及改变传输波导的几何形状对耦合系数的影响,基于FDTD算法,分别计算了四种结构的耦合系数、谐振频率、模场分布及品质因数等,发现模式的匹配程度和输入波导的弯曲损耗均对品质因数有影响,而四种结构的品质因数和耦合系数的变化规律相反,故具体应用中为了达到较高的耦合效率,须在较高的品质因数与较大的耦合系数之间进行折中,经比较得到了一种输入波导弯曲的优化圆盘形结构。

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1.78×10^8.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.

圆碟中回音壁模式的耦合条件

基于波导的几何光学理论,并考虑谐振腔的品质因素或光子寿命,给出了毫米级圆碟回音壁模式谐振时的条件,应用光子隧道效应,分析了输入输出波导与圆碟的耦合特性,详细分析并给出了品质因素为5×105环形电极铌酸锂圆碟调制器中回音壁模式与波导的耦合与限制条件.提出一种利用铌酸锂Mach-Zehnder波导与同质材料圆碟构成的微波接收转换装置,该装置能够实现推挽操作,在具有较高频率分辨特性的基础上能进一步降低驱动电压,而且器件尺寸进一步减小.

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。

基于回音壁模式光学微腔的低阈值激光器研究进展

回音壁模式(WGM)微腔激光器作为一种微纳激光器件,可以将光约束在微纳量级的谐振腔内并保持稳定的行波传输模式。凭借其高品质因子和小模式体积的特性,WGM微腔激光器具有低阈值和窄线宽的优点,成为了国内外关注的一个热门研究领域。WGM微腔内具有极高的光能量密度,光与物质相互作用得到显著增强。近年来,研究人员将不同增益材料与形态各异的微腔结构相结合,大大促进了WGM微腔激光器领域的发展。本文在概述WGM微腔激光器的特性参数和耦合方式的基础上,介绍了包括液滴微腔、玻璃微腔、半导体材料微腔在内的几种典型WGM微腔激光器的研究成果,并对其性能参数进行了比较。阐述了器件在超灵敏传感、微波光子学和片上集成等诸多领域的应用,并展望了WGM微腔激光器的发展趋势。

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了仿真分析,结果表明:选择尺寸匹配的锥形光纤,通过精细调整耦合距离,可以实现对所加工微棒腔的基模从欠耦合到过耦合的激发控制;通过耦合位置的调整,可以实现对其高阶方位角模式的高效激发。

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.

回音壁模式光学微腔传感研究进展

简要回顾了近几年回音壁模式光学微腔在传感研究中的应用,其涉及领域包括位移传感、力传感、加速度传感、质量传感、纳米粒子传感、温度传感、角速度传感和奇异点增强传感。对回音壁模式光学微腔在不同领域的传感机理进行了简单介绍,并且对重要的实验工作进行了介绍,指出了提高传感精度的重要因素,为之后的理论和实验研究提供了一定的参考。

回音壁模式微波谐振腔测温仪尺寸优化研究

为加快回音壁模式微波谐振腔测温仪在工业精密测温领域的应用,提高工业精密测温的测量精度和抗震性,研究基于圆柱状蓝宝石的回音壁模式微波谐振腔测温仪的金属腔体与中心介质的尺寸优化设计。分别对相同比例下不同尺寸的蓝宝石与腔体以及相同蓝宝石尺寸下不同腔体尺寸的谐振频率变化和品质因数改变的规律进行探索。研究发现,谐振频率可随腔体尺寸的增加而指数减小,但一味增大腔体尺寸并不能提高品质因数,反而有可能降低测量精度。研究成果可以揭示测温仪的测量精度变化规律特点,探寻最优尺寸设计,为微波谐振腔测温仪的小型化和高精密研究提供参考,加快其在高精密工业测温领域的广泛应用。

回音壁模式微波谐振腔温度模拟研究与设计

回音壁模式微波谐振腔用于工业温度精密测量具有测量精度高、抗震性强、成本低等优点。该文对直径和高度均为12 mm的圆柱状蓝宝石及其2倍尺寸的铜腔进行温度模拟仿真,通过对谐振频率和品质因数与温度的变化关系进行研究,并与实验结果进行对比,获得仿真结果的温度测量精度,为微波谐振腔测温仪的小型化和高精密研究提供参考,加快其在高精密工业测温领域的广泛应用。

光泵浦Si衬底GaN基回音壁模式微盘谐振腔激光器

氮化镓基微盘结构光学谐振腔具有波长选择范围宽、模式体积小和激射阈值低等特点,其在腔量子电动力学、低阈值激光器、生物传感器等方面具有重要的研究价值。通过优化制备微盘的干法刻蚀工艺及选择性湿法腐蚀技术,制备出侧壁陡峭且光滑的高Q值Si衬底GaN基回音壁模式微盘谐振腔,该微盘谐振腔的制备工艺简单、表面损伤小。在室温、266nm短波长激光泵浦条件下,微盘谐振腔激光器实现了激射,阈值为2.85MW/cm2,Q值达到2 161。

台柱型底座对微盘谐振器回音壁模式影响分析

文章分析台柱型底座倾角和尺寸对微盘谐振器中回音壁模式的影响。首先,确立了计算模型的结构和参数。然后,用三维有限时域差分法计算了氮化硅微盘底座倾角和微盘底座高度对回音壁模式特性的影响。仿真结果表明:台柱倾角对模式谐振波长没有影响,仅在时会降低模式Q值;底座高度较小时,引起模式谐振波长变化和Q值降低。在制备微盘谐振器时,应保证台柱形底座的倾角小,底座高度足够高。

一种新的稀土掺杂回音壁模式微球腔制备工艺

目前使用回音壁模式增强稀土离子发光的研究,多是采用先制备回音壁模式腔,后引入稀土离子的方式。由于稀土离子是后添加的,这种工艺常常会有表面粗糙和稀土元素引入不均匀等问题,使回音壁模式的增强效果降低。本文提出一种新的稀土掺杂回音壁模式微球腔的制备工艺,将稀土元素的引入过程提到了微腔的制备前。实验表明:相比于此前报道的先进行微腔制备,而后进行稀土掺杂的微球,所制微球的表面更光滑自然,稀土掺杂更均匀,回音壁模式对于发光强度的增强效果也更明显。该工艺可推动稀土掺杂回音壁模式微腔在传感和上转换激光器等领域的应用。