光学环形谐振腔温度和磁场传感特性研究
环形谐振腔由于其高集成度、高分辨率和易加工等优点受到研究人员的广泛关注。它可以用于实现光学滤波器、光开关、光学延迟器、光学传感器等多种光学器件。温度传感器和磁场传感器是它的两个典型的应用。本文研究了光学环形谐振腔的温度和磁场传感特性，具体内容如下： 第一，介绍了几种常见谐振腔的光学特性和传感应用的研究现状。其中包含波导环形谐振腔及其耦合马赫曾德干涉仪结构和不同种类的回音壁模式谐振腔。随后介绍了基于环形谐振腔的温度和磁场传感器研究进展。在此基础上，总结了这个领域中需要进一步补充和改进的研究内容，作为本论文的主要研究内容。 第二，以单环谐振腔及其耦合马赫曾德干涉仪结构为例，介绍了传输矩阵理论描述结构传输特性的方法。并对该结构的温度传感特性研究步骤进行介绍。同时，介绍了回音壁模式谐振腔的光学和机械模式计算理论及计算方法，并模拟了回音壁模式谐振腔的光学和机械模式，给出评价模式优劣的指标。随后提出了简易的描述回音壁模式谐振腔磁场传感特性的理论，预测了回音壁模式谐振腔的磁场灵敏度。为选取合适的实验参数，理论上对棱镜与谐振腔的耦合系统中光入射角度进行计算，确定了实验中光学元件的位置；同时介绍了Pound-Drever-Hall稳频理论，确定后续实验系统进行稳频时所需的调制频率。 第三，对上下话路单环谐振腔耦合马赫曾德干涉仪结构进行研究。理论分析了上下话路单环谐振腔结构两输出端口的色散和透射特性。在此基础上，提出利用这两个端口的正反常色散特性提高干涉仪灵敏度的方案。理论分析得到上下话路单环谐振腔耦合马赫曾德干涉仪结构的色散灵敏度，确定了在不同耦合区域内如何选取上下话路单环谐振腔结构参数才能获得最佳色散灵敏度。并在其中选取一组参数进行验证，得到与理论基本一致的实验结果。最后，计算了利用上下话路单环谐振腔耦合马赫曾德干涉仪结构进行温度传感时的传感精度，与传统马赫曾德干涉仪的传感结果进行比较，揭示了色散灵敏度的意义。 第四，利用单环镶嵌谐振腔耦合马赫曾德干涉仪结构获得传感实验所需的非对称法诺谐振。理论计算了该结构在参考臂上引入不同的相位偏置时两个输出端口的透射谱线，选取两个端口能够产生光强变化相反的非对称法诺谐振的结构参数，进行温度传感研究。通过数值模拟的方法讨论了不同结构参数对温度传感特性的影响。 第五，实验上研究了回音壁模式谐振腔的光学和磁场传感特性。利用COMSOL数值模拟谐振腔机械模式频率来确定谐振腔在何种尺寸才能实现在千赫兹范围内较灵敏的磁场探测。利用腔衰荡法和扫频法分别测试了两个谐振腔的光学品质因数。搭建稳频系统，将激光器输出频率稳定在谐振腔的谐振频率处。随后，对所加工的谐振腔的磁场特性进行测试，获得千赫兹频率范围内的磁场传感精度。通过改变二氟化钙光学腔在磁致伸缩介质外的纵向位置和选取合适的磁致伸缩介质高度来优化回音壁模式谐振腔的机械模式，确定了改进型谐振腔结构参数。随后在稳频系统中进行磁场传感实验测量改进型谐振腔的磁场探测精度和频率范围，获得了比未改进前谐振腔更宽的频率探测范围。这两个谐振腔在低频范围内均获得了比微腔更高的灵敏度，不必利用材料的非线性特性就可以实现磁场的直接测量，降低了测量难度。对谐振腔的磁场特性测试为后续进行核磁共振研究奠定了实验基础。 本文的研究工作改进了已有的提高干涉仪相位灵敏度的方式，为干涉仪式传感器的应用提供更多选择。获得了低频范围内室温下工作的高灵敏度谐振腔磁场传感器，提升了谐振腔在光学传感方面的实用价值。
光学环形谐振腔;温度传感;磁场传感;探测精度
哈尔滨工业大学
博士
物理电子学
掌蕴东
2016
中文
TN628.1
123
2017-07-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）