耦合型回音壁模式光學微腔的構建與光學性質研究.pdf

1、光學微腔是一種能夠把光場限制在微米量級區(qū)域中的光學諧振腔。它利用在介電常數(shù)不連續(xù)的材料界面的反射，散射或衍射，將光能量限制在很小的區(qū)域內來回振蕩，從而增加光子壽命，減少光場模式數(shù)目。當增益介質(偶極子)置于微腔中，它的自發(fā)輻射性質受到局域真空場的顯著調制，因此產生低閾值的激光。光學微腔在先進光源，信號處理和傳感技術等領域有著廣泛的應用?？臻g中多個光學微腔互相靠近組成的耦合腔器件可以人工調制光能在空域和頻域的分布，從而獲得一系列的新的物理

2、現(xiàn)象和應用，因而受到人們的廣泛關注。
　　 本文圍繞“耦合型回音壁模式光學微腔的構建與光學性質研究”的課題，在半導體微盤激光器、單頻紫外微腔激光器以及聚合物微環(huán)傳感器等方面開展了一系列研究工作。
　　 本論文的主要創(chuàng)新點是：
　　 1.設計出一種具有窄發(fā)散角、單方向出射的平面耦合微腔--半螺旋型對稱耦合微腔。利用時域有限差分(Finite-Difference Time-Domain，F(xiàn)DTD)仿真技術，設計并優(yōu)

3、化了這種半導體回音壁模式的品質因子和方向性出射特性。研究結果表明，在通信波段它的光學模式具有很好的單方向出射，TM模式的光束的發(fā)散角僅為19度。同時單方向出射的模式的O值提高，而多方向出射的O值降低，有利于激光器的單模工作。
　　 2.在聚合物薄膜、光微流以及半導體材料三種體系實現(xiàn)了基于耦合微腔的紫外單頻激光器。根據復合腔選模的原理，當兩個尺寸不同的微腔平面耦合，自由光譜范圍被擴展(即游標效應)，在兩個腔共同的諧振頻率處具有最低

4、的的損耗因而實現(xiàn)單頻激射。這種構型的成功實現(xiàn)，為解決制備紫外波段高反射率的DBR反射鏡和小周期的光柵所需的高水平工藝要求提供了一個有效簡便的途徑。
　　 3.實現(xiàn)了一種具有高白發(fā)輻射因子的垂直耦合光子分子微盤激光器。這種垂直耦合結構對F-P模式進行了有效的抑制，從而增強回音壁模式激光的自發(fā)耦合效率，降低了激光閾值。實驗證明，和單個微盤相比，回音壁模式激光自發(fā)耦合因子β提高了15倍，高達0.5。當三個相同的微盤垂直耦合時，對F-P

5、模式抑制更有效，從而增大了自發(fā)耦合因子，β值高達0.72。同時觀察到不同微盤之間的強耦合導致的模式劈裂，模式間耦合強度系數(shù)是0.4THz，比量子點與腔模的耦合強度至少高一個數(shù)量級。
　　 4.利用納米壓印技術制備了聚合物SU-8微環(huán)諧振器，并應用在生物傳感領域。微環(huán)諧振器在水中的本征品質因子高達8×105，這是迄今芯片上聚合物微環(huán)的最高記錄。利用這個高性能的器件，可以探測到表面質量密度為12.7pg/m㎡的生物分子，等噪聲的探測