石英毛細管微氣泡光學(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)繞的光程為波長的整數(shù)倍時，便產(chǎn)生分立的共振模也就是所謂回音壁模式（Whispering Gallery Mode，WGM）。回音壁模式微腔一般為尺寸小至光波長量級（微米量級）圓對稱波導(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。基于以上這些

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，人們設(shè)計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，倏逝光場會耦合進核芯的液體中，而大部分能量仍留在壁中，故該結(jié)構(gòu)仍保持高Q值同時又具有很高傳感

3、靈敏度。
　　本文主要分為理論和實驗兩個部分對回音壁模式微氣泡光學(xué)微腔進行研究，具體從以下幾個方面進行介紹:
　　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展，結(jié)合實例簡單介紹其應(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，對橢球形微氣泡微腔中模式分布以及基本特性進行分析介紹;采用基于有限元數(shù)值分析方法的COMSOL Multiphysics

4、模擬軟件對橢球型微氣泡進行數(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。對內(nèi)部充滿液體（水）的液芯微氣泡進行模擬分析，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。利用光射線法對錐形光纖模式特性進行了簡單探討，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，對不同直徑光纖橫截面上光場分布進行仿真模擬。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。
　　接著搭建了毛

5、細管腐蝕平臺，利用注射泵注射氫氟酸溶液腐蝕毛細管，得到不同壁厚微毛細管。利用以二氧化碳激光器做為熱源的熔錐平臺制備出直徑漸變微毛細管。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和光纖熔錐機電弧熔融平臺兩種制備微氣泡實驗系統(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驗平臺，制備出耦合實驗所要求直徑為微米量級的錐形光纖。使用寬帶光源，光譜分析儀和CCD監(jiān)控裝置搭建了基