光學回音壁微腔模式特性的理論研究與優(yōu)化設計.pdf

1、本論文主要圍繞“光學回音壁微腔模式特性的理論研究與優(yōu)化設計”這個主題展開理論和應用研究工作，主要討論了WGM（回音壁模）微腔的光場方向性發(fā)射、多模抑制與選擇，階梯狀FDTD 模擬中高Q 值圓腔的不穩(wěn)定現(xiàn)象和解釋，微腔散射損耗估計，及圓腔與多層圓腔的本征場折射—反射模型及其對于散射、諧振問題求解和干涉調制現(xiàn)象解釋等方面的問題。
　　 我們的具體工作如下：
　　 ◆微花朵腔內(nèi)模式抑制、選擇與光場方向性發(fā)射和Q值穩(wěn)定性分析微花

2、朵腔像微齒輪腔一樣其周邊的Bragg 光柵可以有效分裂角向模次為柵頻率一半的二重簡并的WGM，并提高其中一個模式的Q值而抑制另一個競爭模式，另一方面，Bragg 光柵還可抑制角向模次與柵頻率不滿足一半關系的其它模式。微花朵腔邊界的局部變形（包括其柵“瓣”的拉長和壓縮和柵“谷”加深和變淺。）可導致模式Q 值的破壞并引發(fā)光場的方向性發(fā)射，合理控制變形參數(shù)，可實現(xiàn)微花朵腔的光場的單方向性發(fā)射。
　　 ◆直角FDTD方法在微腔模擬中的人

3、工散射損耗研究與改進研究基于直角網(wǎng)格的階梯狀近似在大量的FDTD（時域有限差分）算法中有應用。由階梯狀邊界近似所引入的人為邊界粗糙性導致了FDTD微腔模擬、分析的精度不足，并存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，特別是高Q 值計算?；诳紤]腔存在對微擾極化電流散射場的影響的類體積電流方法（類VCM）可很好的解釋FDTD圓腔模擬Q 值的偏低和不穩(wěn)定現(xiàn)象。類VCM 方法不陷于對于FDTD 散射損耗的計算，它可應用于腔在各種參數(shù)擾動下所導致的散射損耗計算，它嚴格考

4、慮到了腔存在對微擾極化電流的輻射過程的影響，因而比一般的VCM 方法更精確。
　　 階梯狀邊界近似所固有的人工散射損耗限制了其在高Q 值計算方面的應用，我們希望其它改進的算法可湊效，而基于直角網(wǎng)格的有效介電常數(shù)方法（如V-EP、CP-EP 等）一方面不明顯增加原算法的復雜性，另一方面可顯著提高計算精度，不過它們對于極高Q 值的計算依然顯得有些不足，簡單而有效的可模擬極高Q 值微腔的FDTD算法依然有吸引力.
　　 ◆圓腔

5、WGM 自洽場描述和多層圓腔中的干涉調制現(xiàn)象本征場折射—反射模型提供給我們一種以直觀方式求解圓腔或多層圓腔散射與諧振問題的簡單方法?；诒菊鲌龅淖栽佻F(xiàn)（自洽）圖像，我們可簡單而直觀地求解圓腔或多層圓腔WGM 問題，并且對于圓腔，基于本征場的波場—射線對應關系，這一過程更加形象。同時基于本征場折射—反射模型，我們可以實現(xiàn)對圓腔或多層圓腔散射問題簡單地求解。由本征場折射—反射模型所給出的本征波數(shù)方程也更加適合研究WGM的模譜特性。
　

6、　 多層圓腔中干涉調制現(xiàn)象也可基于分析由本征場折射—反射模型給出本征波數(shù)方程發(fā)現(xiàn)并解釋。在理解層面，干涉調制可基于多層圓腔內(nèi)、外各腔WGM的耦合去認識?？偳籛GM的譜為未耦合各腔未WGM 譜與耦合WGM譜的交替排列形成。考慮帶有包覆層的兩層圓腔，耦合WGM 為內(nèi)圓腔WGM和外環(huán)腔WGM發(fā)生共振時導致二者間的較強的相互作用而形成，參與作用的WGM 因為耦合形成對稱及反對稱WGM。最內(nèi)層圓腔WGM 因為與外部腔WGM的耦合可單獨出現(xiàn)調制現(xiàn)