石英毛细管微气泡光学微腔的制备及其传感特性分析

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近年来,回音壁模式微腔因其具有高品质因子(Q)和低模式体积(V)而引起了广泛关注。微腔内部的光通过一个连续全反射过程被限制在内边界附近并沿着边缘环绕,当其满足相位匹配条件即环绕的光程为波长的整数倍时,便产生分立的共振模也就是所谓回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)。回音壁模式微腔一般为尺寸小至光波长量级(微米量级)圆对称波导结构,具有高能量密度、低模式体积,并且易于制作、方便集成、制作成本低。基于以上这些特性,回音壁模式光学微腔被作为重要光学器件应用于低阈值激光器、光学滤波器、高灵敏度传感器等众多领域。  因回音壁模式谐振频率很容易受外部环境影响,可作为高灵敏度传感器使用。近几年围绕着提高传感灵敏度和分辨率的要求,人们设计制作了多种回音壁模式微腔,光微流光学环形微腔就是其中一种。光微流光学环形微腔可以看作一种混合微腔,由于具有不同介电层,倏逝光场会耦合进核芯的液体中,而大部分能量仍留在壁中,故该结构仍保持高Q值同时又具有很高传感灵敏度。  本文主要分为理论和实验两个部分对回音壁模式微气泡光学微腔进行研究,具体从以下几个方面进行介绍:  首先分析了回音壁模式光学微腔研究背景和近年来研究进展,结合实例简单介绍其应用现状。  其次,介绍回音壁模式光学微腔理论特性和锥形光纤模式分布。从麦克斯韦方程出发结合椭球形微气泡边界条件,对椭球形微气泡微腔中模式分布以及基本特性进行分析介绍;采用基于有限元数值分析方法的COMSOL Multiphysics模拟软件对椭球型微气泡进行数值模拟,分析得到了不同直径与壁厚椭球型微气泡内赤道面上回音壁模式分布情况。对内部充满液体(水)的液芯微气泡进行模拟分析,得到了不同尺寸微气泡的模式特性及其分辨率和灵敏度等性能。利用光射线法对锥形光纤模式特性进行了简单探讨,比较分析了不同纤芯直径光纤有效折射率。由于锥形光纤各处直径不同,对不同直径光纤横截面上光场分布进行仿真模拟。分析锥形光纤与球微腔耦合理论基础和几种不同耦合方式及特点。  接着搭建了毛细管腐蚀平台,利用注射泵注射氢氟酸溶液腐蚀毛细管,得到不同壁厚微毛细管。利用以二氧化碳激光器做为热源的熔锥平台制备出直径渐变微毛细管。根据局部加热内部加压原理搭建了二氧化碳激光熔融平台和光纤熔锥机电弧熔融平台两种制备微气泡实验系统。并制备出直径在120-300m范围内不同尺寸微气泡微腔。  最后搭建了制备锥形光纤的氢氧火焰拉锥实验平台,制备出耦合实验所要求直径为微米量级的锥形光纤。使用宽带光源,光谱分析仪和CCD监控装置搭建了基于锥形光纤微气泡耦合系统,测出直径渐变微毛细管及不同尺寸微气泡品质因子及传感性能参数。
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