回音壁模式的光学微腔通过沿着微腔边界的全内反射将光长时间的限制在腔内,并形成超高品质因子(Quality Factor,简称Q值),使得它在光学传感和微纳尺寸的相干光源上有很大的应用潜力。对于这类应用而言,几个主要参数有高Q值、单向出射和大的手性。为了得到单向出射,通常的方法就是对微腔边界进行变形。然而,由于变形微腔不能保持局域谐振的角动量,这类微腔的Q值经常衰减的很严重。此外,之前对于手性谐振的研究不是低Q值模式就是需要一些特殊的微腔设计。所有的这些缺点都会限制光学微腔的实际应用。本文的研究基于以上的讨论,证明了一个更新、更普遍、更稳健的机制来同时得到超高Q值和单向出射。然后,将这种定向出射机制应用于光子分子中,通过数值模拟证明,除了超高Q值和单向出射,同样可以得到大的手性值。最后,本文分析了这种光子分子对于单分子探测上的应用。完成的主要工作如下所示:1、本文设计了一个新型的内边界变形环形微腔,研究其定向出射机制,得以在其中同时获得超高Q值和单向出射。通过调整环形微腔内边界的位置、尺寸和形状,证明了单向出射可以在一个长寿命谐振和宽的频段内存在。同时,高Q值和单向出射的范围很宽,使得这个新的机制更适用于实际应用。上述的机制通过基于有限元法(Finite-element Method,简称FEM)的COMSOL Multiphysics软件进行模拟计算被证明。2、本文将上述机制扩展到光子分子中。将一个圆形微腔放置在内边界为螺旋线形的环形微腔旁边,通过数值模拟计算证明,超高Q值、单向出射和手性可以同时获得。并且很容易在腔内获得非正交模式对,非正交模式对的共同传播方向可以通过光子分子内的模式耦合作用来进行转换。这一特性可以进一步提高它的灵敏度,在光学传感和探测中有着极高的应用价值。3、基于上述讨论,本文将光子分子结构应用于单分子探测中,使用的是奇点(Exceptional Point,简称EP)附近的模式。当一个纳米颗粒靠近在EP附近谐振的光子分子时,主要的谐振行为就受到强烈的扰动。除了模式劈裂以外,本文又提出了光子分子的远场分布图案也发生了巨大的变化。以聚苯乙烯分子为例,证明了半径在1 nm到7 nm的单个分子,可以简单地通过远场分布图案的变化进行检测。本文所提出的探测方法很简单,不需要使用昂贵的高精度设备,在无标记单分子探测中具有极高的应用潜力。本文中所提出的新型内边界变形环形微腔定向出射的机制对于例如EP和模式耦合这类基础理论的研究具有新的优势。对其在光子分子和单分子探测中的应用的研究表明,它给一些实际应用的研究提供了新的平台。对于光学微腔的研究和应用有着推动性的意义。