光学微腔磁传感器(特邀)

磁场传感在基础物理研究及生物医疗、航空航天、军事、工业等领域的应用方面都发挥着重要作用。在过去的几十年间,研究人员已发展出超导量子干涉器件磁力仪、光学原子磁力仪、金刚石氮空位色心磁传感器等诸多高灵敏度磁传感器。光学微腔由于其品质因子高,模式体积小,因此可显著增强传感的灵敏度,近年来被广泛应用于高灵敏磁传感器的研究。本文对这种新兴的光学微腔磁传感器进行了全面介绍。光学微腔磁传感器根据工作原理的不同,大致可分为磁致伸缩磁传感器、扭矩磁传感器和磁光效应磁传感器这三类。本文介绍了这三类微腔磁传感器的工作原理和发展现状,并总结了多种提升磁场探测灵敏度的手段,最后对微腔磁传感器的发展方向和应用前景进行了展望。

基于高Q值Si3N4片上光学微腔的孤子光频梳

高Q值片上微腔已被证明是一种性能优异的克尔孤子光学频率梳产生平台。由片上多模波导构成的Si3N4微腔可以同时实现产生暗孤子所必须的高品质因子和反常色散。为了进一步降低产生单孤子光频梳的阈值功率,文章设计了一种具有欧拉弯曲的新型跑道型Si3N4微腔,与传统的圆形弯曲波导相比,跑道型微腔直波导连接处弯曲半径的突然变化被显著抑制,这抑制了高阶模式耦合并降低了传播损耗,从而获得了超过5×10^(6)的品质因子。基于该新型微腔,使用辅助激光加热方法仅用47mW泵浦激光器(估计片上泵浦功率为33mW)就产生了重复频率在Ka波段且带宽超过20nm(对应于129fs的脉冲持续时间)的单孤子微腔光频梳。

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。

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。

非晶碳化硅材料与光学微腔的制备与发光

利用等离子体化学气相沉积技术在100℃的衬底温度下,制备了具有不同组分比的系列非晶碳化硅薄膜。结合傅里叶变换红外光谱与喇曼光谱对所制备的薄膜微结构进行了表征与分析,同时,对具有不同组分比的非晶碳化硅薄膜室温光致发光性质进行了系统的研究。结果表明在Ar+离子激光和Xe灯紫外光的激发下,不同组分的样品显示出不同的光致发光特性,并对样品的发光特性与其微结构的联系进行了讨论。在此基础上,用碳化硅薄膜设计和制备了全固体光学微腔,研究了微腔对碳化硅发光行为的调制作用。

有机薄膜在平面光学微腔中的光致发光特性

本文研究了有机薄膜在平面光学微腔中的光致发光特性。有机光学微腔以多层介质膜和金属银分别作为反射镜 ,8 羟基喹啉铝 (Alq)为发光层。Alq薄膜的荧光峰位于 5 1 9nm ,谱线的半高全宽为 90nm。微腔的荧光峰位于 5 30nm ,谱线的半高全宽窄化至 1 0nm。谐振波长处的发射强度提高了一个数量级。

强荧光铽配合物LB膜光学微腔

在光学微腔中，最典型的结构是Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ平面谐振腔，它由两个互相平行的反射镜组成，两镜之间放置工作物质．常用的反射镜有两类：介质镜和金属镜［１］．介质镜由具有不同介电常数的一系列物质相互层叠制成，这种“镜”对某一特定波段的电磁波具有优良的反...

掺Nd_2O_3高折射率玻璃微球的制备与光学微腔效应研究

制备了掺有稀土发光材料的高折射率玻璃微球,并用XRD、Raman等进行了表征。实验结果表明,该玻璃微球粒径分布范围窄,光学性能好,其折射率约为1.93。用改造的显微拉曼光谱仪测量了微球上转换发光光谱,在其荧光光谱上发现了很强的形貌共振,并用光学微腔理论进行了解释。

变折射率光学微腔性能研究

本文使用时域有限差分法研究了六种不同折射率分布的圆柱型光学微腔,计算了不同阶径向回音壁模式的能量分布和在棱镜耦合状态下的品质因数,分析了渐变型和突变型折射率分布对微腔性能的影响。在此基础上讨论了通过改变折射率分布来选择性增强特定阶模式和改善微腔性能的途径,这对微腔研究与应用的进一步发展具有一定的指导意义。

光学微腔相位调制解调技术分析及实现

理论分析了相位调制的原理及锁相放大器的解调原理。利用多光束干涉原理对微腔的谐振特性进行了分析并对其及环形谐振腔进行了相位调制解调仿真分析。设计搭建了基于光学谐振腔的相位调制解调系统。基于搭建的光学谐振腔的相位调制解调系统利用正弦波对微腔进行了调制解调测试,得到了良好的测试结果并使用光纤环形谐振腔验证了调制解调系统及调制方法的可行性,得到了光纤谐振腔的低频调制解调信号及边带调制解调信号,为进一步研究光学谐振腔谐振点的跟踪锁定奠定了基础。

光学微腔对光子激子系统玻色凝聚温度和热容量的影响

以半导体GaAs光学微腔为例,探讨了光学微腔对光子激子系统玻色凝聚温度和热容量的影响.结果表明:玻色凝聚临界温度随微腔宽度增大而升高,但只在微腔宽度不大时,变化才显著;而微腔宽度太小时,系统不会出现玻色凝聚;玻色凝聚临界温度随微腔内各点的位置变化很小,它只在腔内r=0附近较高;光子和激子对微腔热容量的贡献大致相同,均随温度升高而增大,随微腔宽度的增大而减小;微腔形状对玻色凝聚临界温度和热容量的影响很小.热容量只在微腔宽度很小时随位置的变化才显著.

任意依赖强度耦合的多光子过程对光学微腔中原子动力学效应的影响

本文研究了光学微腔中光场和原子相互作用时原子的动力学效应,同时研究了依赖辐射场强度耦合的性质对原子动力学效应的影响。

多模发射的单层有机光学微腔

研究了有机发光材料在Ｆ－Ｐ微腔中的发光特性．有机光学微腔以多层介质膜和金属铝（Ａｌ）分别作为反射镜，８－羟基喹啉铝（Ａｌｑ）为发光材料．在微腔的光致发光谱中观察到了多个模式以及明显的谱线窄化现象，发射光谱的主要特征和Ｆ－Ｐ徽腔的谐振模式相同．

一种新型光学微腔的理论分析

应用波动光学理论,分析了一种新型锥顶柱状光学微腔的本征模式,得到了谐振腔的谐振波长表达式.在谐振波长1550 nm附近进行了设计与仿真优化,优化结果显示新型谐振腔与传统平行腔相比,在腔长为4512.5 nm,直径为3134.4 nm时,其品质因数可以提高22.4%,达到了49928.5,同时谐振腔的有效模式体积减小了47.8%.

分析不同边长光学微腔内横模模场分布

本论文使用FullWAVE4.0软件中的二维FDTD法模拟了有效折射率为3.2,对边长为5μm和边长为3μm的等边三角形光学微腔模式分布状况。对腔内的横模模场进行分析,发现边长为5μm的等边三角形微腔和边长为3μm的等边三角形微腔在低阶模时,光线在三角形边界上几乎发生全反射,但随着模阶数的增大光线的透射逐渐增强,能量损失逐渐变大,在腔内很难形成稳定的模式分布,这说明这两种边长的等边三角形微腔是有利于基模工作。并比较两种边长的等边三角形光学微腔模场分布状况,分析了可能导致的几个原因。

飞秒激光在透明介质中诱导光学微腔的实验研究

鉴于飞秒激光脉冲持续时间极短且峰值功率极高,将其紧聚焦到透明介质体内部时,易引发双光子效应、碰撞电离、雪崩击穿等一系列非线性过程,在焦点处产生微爆,从而形成微腔结构。提出采用25 fs的激光脉冲在透明介质内部诱导形成微腔结构。分析了微腔的能量阈值。结合三维精密位移台,制备了三维微腔点阵。探讨了超短激光脉冲在透明介质内部形成微腔结构的方法与基本实验参数。试验发现:采用更短脉宽的飞秒脉冲时可以降低微腔形成的能量阈值;通过调整飞秒激光功率、脉冲作用次数和光束聚焦情况等因素,可以有效改变微腔的纵深比;在数值孔径较低时因无法实现紧聚焦,故不能形成微腔。

显微荧光图像分析系统及其在光学微腔中的应用

给出作者研制成功的显微荧光图像采集和数字分析系统及其在有机光学微腔研究中的应用。利用这一系统观测和分析了稀土铕配合物组成的半径为９μｍ的稀土配合物有机光学微盘的荧光图像，并证实了在这种光学微盘中占优势的回音壁光学模式。

利用光学微腔提高石墨烯的光吸收效率

构建了结构为石墨烯/光学隔离层/银基底的光学微腔来提高石墨烯的光吸收效率。理论研究表明,通过合理设置光学微腔中光学隔离层的厚度,在正入射条件下,石墨烯的吸收光谱出现吸收峰而且最大光吸收效率可达8.5%,约为空气中单层石墨烯光吸收效率(约2.3%)的3.7倍。同时,研究结果还表明,可以通过改变光学隔离层的厚度来调控吸收峰的位置和半高宽。在斜入射条件下,石墨烯对横电波(光电场方向垂直于入射面)入射光的光吸收效率可达42%,约为空气中单层石墨烯光吸收效率的18.3倍。计算结果对石墨烯光电探测器的制备及应用具有一定的指导意义。

耦合光学微腔的频率调谐过程分析

不同的频率失谐会在耦合光学微腔激发出不同的工作模式.以两个耦合光场的非线性薛定谔方程为理论模型,分别研究了失谐参量正调谐和负调谐过程中微腔内光场的变化.理论分析结果表明,在正失谐区域中,腔内光场可由多脉冲形式演变为亮孤子,但亮孤子存在范围较小,当失谐参量过大时,腔内光场会演化为直流分布.在负失谐区域,腔内可以形成较高功率“图灵环”形式的光场.当耦合微腔没有发生频率失谐,或者失谐参量接近0时,腔内只能形成混沌形式的光场分布.当耦合微腔内激发出光孤子后,通过选取合适的失谐参量和抽运功率,可在腔内维持稳定的亮孤子.此外还可通过继续调谐第一个微腔的失谐参量,将亮孤子转变为低功率的“图灵环”.理论分析结果对耦合微腔的实验研究具有重要意义.

光学微腔在微波光子雷达系统中的应用

微波光子雷达通过光子技术辅助可突破传统电子技术瓶颈,实现光子系统集成化是未来微波光子雷达的必然发展趋势。具有超高品质因子的光学微腔得益于其独特的线性和非线性光学特性,可在极小的体积内实现宽带微波信号的光域调控,是集成微波光子雷达系统的关键核心元件,在微波光子滤波、光生微波信号、光子辅助信道化接收和光控波束形成等系统功能单元中都具有重要的应用价值,并且在未来太赫兹雷达、激光雷达等系统中也具有广阔的应用前景。