回音壁模式液晶微腔温度传感器的研究

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由于具备极高的品质因子(Q)和极小的模式体积,回音壁模式(Whispering gallery mode,WGM)光学微腔能够极大的增强光与物质的相互作用,因此吸引了各领域研究学者的浓厚兴趣,在诸如激光、传感、生物探测、非线性光学以及量子物理等领域表现出巨大的应用潜力。基于WGM微腔传感器作为微腔应用研究中最具代表性且最重要的分支,近年来受到了广泛关注,而传感器件灵敏度的进一步提高成为其未来发展的关键突破点。液晶(Liquid crystal,LC)凭借其特有的双折射特性和良好的电磁、温度响应特性占据了显示领域的半壁江山。将LC与WGM光学微腔结合而衍生出的液晶微滴WGM腔融合了二者的优点,兼具制作简单、操作灵活以及经济性好的优势,同时有望提高其作为传感器件的灵敏度。本文围绕液晶微滴WGM腔的传感特性展开了一系列实验研究,验证了不同类型液晶微滴内的WGM谐振特性,并实现了基于液晶微滴WGM腔的高灵敏度温度传感。具体的研究内容包括:  (1)采用火焰加热拉锥法制备了锥形毛细微管,在低折射率水环境中用其制备了染料掺杂胆甾相液晶(Dye-doped cholesteric liquid crystal,DDCLC)微滴。在532nm脉冲激光激发下,观测到了DDCLC微滴内典型的WGM激光发射光谱,实验得到的激光发射阈值约为0.9μJ。从理论仿真和实验两个方面验证了CLC微滴内WGM谐振本质:建立了CLC微滴的FDTD仿真模型,仿真结果验证了微滴内部光传播的WGM谐振行为;实验中,研究了DDCLC微滴尺寸对其激光发射波长、FSR值、Q值等参数的影响,结果表明各参数随微滴直径的变化规律符合WGM谐振特性。此外,设计进行了DDCLC微滴WGM腔的温度传感实验,分别得到了高达-1.5nm/℃的温度传感灵敏度和2.73×10-2℃的温度分辨率。  (2)通过锥形光纤波导产生的倏逝波耦合向列相液晶(Nematic liquid crystal,NLC)微滴,在透射光谱中观测到了NLC微滴腔的WGM谐振峰,相应谐振模式的Q值约为2.8×103。实验中观察到了由于NLC微滴自然变形引起的光谱模式分裂现象,分析得出其产生原因为方位角模式的退简并。研究了锥形光纤波导与NLC微滴间耦合距离对两者耦合状态的影响,实验结果表明随着距离的减小,耦合状态依次为欠耦合、临界耦合以及过耦合状态。此外,进行了NLC微滴WGM腔的温度传感实验,得到了-267.6pm/℃的温度传感灵敏度和7.5×10-2℃的温度分辨率。
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