回音壁模式是存在于圆形谐振器里面的一类特殊的电磁波谐振模式,依靠在谐振器边界面上的全内反射,其能够以极小的损耗沿着谐振器的弧形表面传播。回音壁模式超高的品质因数,结合其极低的模式体积,使其被广泛应用在微波光子学、非线性光学、量子光学等众多领域。论文对超高品质因数回音壁模式谐振器进行了系统性的研究,研究工作从回音壁模式在谐振器中的场分布开始,详细阐明了回音壁模式在谐振器中的形态特征,并通过丰富的理论计算和实验研究,对超高品质因数回音壁模式谐振器的光学和电学特性进行了全面深入的分析。提出了对回音壁模式谐振器进行计算与分析的保角变换和传输线方法。利用这种简便高效的方法,对不同尺寸的谐振器中回音壁模式的场分布与谐振频率进行了详细的分析和研究,包括微米级的小尺寸微腔,以及毫米级的大尺寸谐振器。建立了回音壁模式谐振器的二次谐波产生模型。从麦克斯韦方程组出发,利用回音壁模式谐振器的非线性效应,实现了回音壁模式谐振器中的二次谐波产生的建模与仿真。研究了回音壁模式谐振器中的二次谐波的产生机理,详细分析了基波和二次谐波的自脉冲效应,并从理论模型中计算求得了回音壁模式谐振器中自脉冲效应的阈值功率。实现了超高品质因数回音壁模式光学谐振器的设计和制备,提出了回音壁模式谐振器的制备方法。成功完成了 z切和x切铌酸锂(LiNb03)谐振器,氟化镁(MgF2)谐振器等多种不同类型的回音壁模式碟形谐振器的设计和制备。完成了回音壁模式光学谐振器品质因数的测量,分析了谐振器品质因数的特性。利用线宽法和CRD(cavity ring down)法,完成了多种不同类型的回音壁模式光学谐振器品质因数的测量。测量结果表明,z切和x切铌酸锂回音壁模式谐振器的品质因数分别为Q=1.2×107和Q=2.7×107,这一超高的品质因数,充分表明了铌酸锂回音壁模式谐振器优良的光学性能。此外,分析比较了不同谐振器的品质因数及其测量方法,同时对谐振器品质因数的损耗机制及其影响因素进行了深入的研究。研究了回音壁模式谐振器的光学特性。详细分析了回音壁模式耦合过程中的众多因素,包括激光的入射角度、棱镜与谐振器的耦合距离、入射激光的偏振态以及回音壁模式的热效应等,研究了它们对谐振器中回音壁模式的作用机制及影响效果。研究了回音壁模式谐振器的电学特性。对铌酸锂回音壁模式谐振器的电光效应,进行了理论和实验上的研究,揭示了其优良的电光特性。分析了回音壁模式谐振器的辐射特性,提出了基于回音壁模式辐射效应的射频轨道角动量天线,阐明了从回音壁模式到轨道角动量模式的转换机制,从仿真和实验上揭示了该天线对射频轨道角动量模式优良的辐射特性。