由于具有极高的品质因子和较小的模式体积，回音壁模式光学微腔能够极大地增强光场与物质相互作用，因此已经在很多领域中吸引了人们越来越多的研究兴趣，例如在微型激光器和高灵敏度传感等。在微型激光器方面，当泵浦光与激光同时与不同微腔模式共振时，可以大大降低激光阈值。低阈值拉曼激光已经在多种材料的微腔体系中实现;在传感应用中，由于显著增强的光与被检测纳米粒子或生物分子之间的相互作用，传感的灵敏度显著提高，甚至达到单个纳米粒子或单分子的检测极限。本论文致力于回音壁模式微腔拉曼激光和微腔传感方面的研究，主要内容包括以下四个部分:　　一、探索了微腔传感相关实验技术　　笔者在博士期间的实验研究中，探索出几项微腔传感相关的实验技术。例如，为了实现空气环境中的单粒子检测，探索出一种光纤锥辅助的单粒子转移技术，可以实现单个纳米粒子在光纤锥与微腔之间的可控转移;为了实现液体环境中的高灵敏度传感，探索出一种超纯水的处理技术，使得在液体环境中微腔的品质因子也高达108，从而实现液体环境中的低阈值拉曼激光。　　二、实现了低阈值微腔拉曼激光，并将其应用于高灵敏度单粒子检测　　在微腔生物传感中，当纳米粒子或生物分子被选择性吸附在微腔表面时，会引起微腔模式移动，或模式分裂，或模式展宽，三者均可作为传感信号。在这三种检测机制中，模式分裂和模式展宽的检测机制已经被证明具有天然的抗噪声能力，包括激光器频率噪声和热噪声，因此吸引了人们越来越多的研究兴趣。在模式分裂的检测机制中，要求模式分裂大于模式线宽，因此检测极限受限于腔模的线宽（对应着模式损耗）。本论文提出利用微腔拉曼激光模式分裂的检测机制，来实现高灵敏度的单粒子检测，相比于之前的传感方法具有以下优势:1，模式分裂的传感信号本身具有天然的抗噪声能力，因此无需额外的噪声抑制技术;2，微腔拉曼增益补偿了模式的本征损耗，因此可以检测更小的模式分裂，达到更低的检测极限;3，由于拉曼散射是几乎任何材料（包括腔体材料）都具有的性质，因此无需对微腔掺杂任何增益介质，大大降低了传感实验的复杂程度;4，由于拉曼散射几乎在任何波长的激光泵浦下都可以发生，因此降低了对泵浦光波段的要求。这一特性在液体环境的检测中更突显其重要性，我们可以直接选择水的吸收较小的波段，而无需考虑掺杂增益介质的吸收波段。　　基于上述研究背景，本文研究了二氧化硅和聚合物两种材料的微腔体系中的拉曼激光。首先分析其光谱特性和阈值特性，然后研究了拉曼激光在时域上的行为，为拉曼激光应用于单粒子检测定义了有效的传感信号，即拉曼激光的拍频。进而，通过检测纳米粒子吸附所引起的微腔拉曼激光的拍频的变化，在空气环境和液体环境中均实现了高灵敏度的单粒子检测，在液体环境中达到20 nm半径的检测极限。　　三、实现了高灵敏度的温度传感　　利用微腔模式共振波长对环境温度的敏感性，可以实现高灵敏度的温度传感。本文通过在二氧化硅微芯圆环腔表面覆盖一层热效应较大同时吸收系数较小的聚合物材料，实现了可集成于芯片上，同时具有高灵敏度和低探测极限的温度传感器。此聚合物覆盖的光学微腔对温度的传感灵敏度达到0.151 nm/K，检测极限达到1×10-4K。　　四、研究了微腔系统中的Fano共振效应　　Fano共振线型，由于在传输谱上表现为具有更大的斜率，因此可以提高传感的灵敏度。本文在耦合光学微腔和单个光学微腔两种体系中均观察到非对称的Fano线型，并通过耦合模理论研究了此Fano共振产生的物理机制。