欧姆热调谐复合微泡腔研究及应用

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回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)光学微腔具有高品质因子(quality factor,Q)、小模式体积、高能量密度和极窄线宽等优越特性,为化学、材料学、生命科学、生物医学等领域的基础研究与应用开发提供了一个很好的研究平台。本论文主要以WGM二氧化硅微泡腔为载体,在其内部贯穿一根微金丝的基础上,再镀上一层聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)形成内置微金丝复合微泡腔的新结构,基于相反热光系数材料相互竞争的原理以及欧姆热调谐方法,在电磁感应透明/吸收(electromagnetically induced transparency/absorption,EIT/EIA)和光学频率梳(optical frequency comb,OFC)调谐等方面开展了一系列的研究工作。本论文主要内容有如下两个方面:1.提出在微泡腔内贯穿一根微金丝的基础上,再镀上一层PDMS形成内置微金丝复合微泡腔的新结构,在该复合微泡腔中研究EIT/EIA效应,利用欧姆热调谐方法实现了可控EIT/EIA。理论上基于米散射四层结构模型,分析了内涂覆PDMS微泡腔热灵敏度随其壁厚的变化情况,以及不同径向模式的场分布。由于二氧化硅和PDMS分别具有正、负热光系数,不同径向模式间热灵敏度不同,甚至符号相反,因此可以通过改变微腔温度有效的控制模式间的频率失谐。实验上,制备了薄壁微泡腔,先在微流通道内穿入微金丝(直径20μm),再利用微流通道在其内壁镀上一层PDMS,形成复合微泡腔,最后将微金丝接入电路,利用微金丝产生的欧姆热来调谐相邻不同径向模式共振波长。通过选取具有不同外部耦合衰减速率和本征衰减速率的模式,改变微金丝中的电流,实现了可控Fano、EIT以及EIA透射谱线。通过耦合模理论,数值上建立了不同状态下的透射谱线,实验结果和理论结果吻合较好。2.在WGM微泡腔反常色散区实现了OFC产生,并将欧姆热调谐方法应用于OFC的调谐。微泡腔的Q值可高达10~8,在高功率激光泵浦下,有着丰富的非线性现象,如拉曼、频率梳、布里渊等,其中,频率梳有着广泛的应用,如精密测量、原子钟、光谱学、宽带传感、光纤通信等,这些应用的重要前提是频率梳的可调谐性。理论上利用米散射程序通过迭代方法计算了微泡腔模式色散量与微泡腔尺寸的关系,获得了模式反常色散区。实验上,制备了处在模式反常色散区的微泡腔,在外部激光泵浦作用下,成功实现了通讯波段OFC。同样的,在微泡腔中空通道内置微金丝,通过改变电流来实现OFC的欧姆热调谐,调谐范围达到0.21nm。这种方法可为WGM微泡腔OFC提供了一种有效的调谐方案。
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