石英毛細(xì)管微氣泡光學(xué)微腔的制備及其傳感特性分析.pdf

1、近年來，回音壁模式微腔因其具有高品質(zhì)因子(Q)和低模式體積（V）而引起了廣泛關(guān)注。微腔內(nèi)部的光通過一個(gè)連續(xù)全反射過程被限制在內(nèi)邊界附近并沿著邊緣環(huán)繞，當(dāng)其滿足相位匹配條件即環(huán)繞的光程為波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，便產(chǎn)生分立的共振模也就是所謂回音壁模式（Whispering Gallery Mode，WGM）?；匾舯谀Ｊ轿⑶灰话銥槌叽缧≈凉獠ㄩL(zhǎng)量級(jí)（微米量級(jí)）圓對(duì)稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，具有高能量密度、低模式體積，并且易于制作、方便集成、制作成本低?；谝陨线@些

2、特性，回音壁模式光學(xué)微腔被作為重要光學(xué)器件應(yīng)用于低閾值激光器、光學(xué)濾波器、高靈敏度傳感器等眾多領(lǐng)域。
　　因回音壁模式諧振頻率很容易受外部環(huán)境影響，可作為高靈敏度傳感器使用。近幾年圍繞著提高傳感靈敏度和分辨率的要求，人們?cè)O(shè)計(jì)制作了多種回音壁模式微腔，光微流光學(xué)環(huán)形微腔就是其中一種。光微流光學(xué)環(huán)形微腔可以看作一種混合微腔，由于具有不同介電層，倏逝光場(chǎng)會(huì)耦合進(jìn)核芯的液體中，而大部分能量仍留在壁中，故該結(jié)構(gòu)仍保持高Q值同時(shí)又具有很高傳感

3、靈敏度。
　　本文主要分為理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)部分對(duì)回音壁模式微氣泡光學(xué)微腔進(jìn)行研究，具體從以下幾個(gè)方面進(jìn)行介紹:
　　首先分析了回音壁模式光學(xué)微腔研究背景和近年來研究進(jìn)展，結(jié)合實(shí)例簡(jiǎn)單介紹其應(yīng)用現(xiàn)狀。
　　其次，介紹回音壁模式光學(xué)微腔理論特性和錐形光纖模式分布。從麥克斯韋方程出發(fā)結(jié)合橢球形微氣泡邊界條件，對(duì)橢球形微氣泡微腔中模式分布以及基本特性進(jìn)行分析介紹;采用基于有限元數(shù)值分析方法的COMSOL Multiphysics

4、模擬軟件對(duì)橢球型微氣泡進(jìn)行數(shù)值模擬，分析得到了不同直徑與壁厚橢球型微氣泡內(nèi)赤道面上回音壁模式分布情況。對(duì)內(nèi)部充滿液體（水）的液芯微氣泡進(jìn)行模擬分析，得到了不同尺寸微氣泡的模式特性及其分辨率和靈敏度等性能。利用光射線法對(duì)錐形光纖模式特性進(jìn)行了簡(jiǎn)單探討，比較分析了不同纖芯直徑光纖有效折射率。由于錐形光纖各處直徑不同，對(duì)不同直徑光纖橫截面上光場(chǎng)分布進(jìn)行仿真模擬。分析錐形光纖與球微腔耦合理論基礎(chǔ)和幾種不同耦合方式及特點(diǎn)。
　　接著搭建了毛

5、細(xì)管腐蝕平臺(tái)，利用注射泵注射氫氟酸溶液腐蝕毛細(xì)管，得到不同壁厚微毛細(xì)管。利用以二氧化碳激光器做為熱源的熔錐平臺(tái)制備出直徑漸變微毛細(xì)管。根據(jù)局部加熱內(nèi)部加壓原理搭建了二氧化碳激光熔融平臺(tái)和光纖熔錐機(jī)電弧熔融平臺(tái)兩種制備微氣泡實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。并制備出直徑在120-300m范圍內(nèi)不同尺寸微氣泡微腔。
　　最后搭建了制備錐形光纖的氫氧火焰拉錐實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，制備出耦合實(shí)驗(yàn)所要求直徑為微米量級(jí)的錐形光纖。使用寬帶光源，光譜分析儀和CCD監(jiān)控裝置搭建了基