回音壁光学微腔中模式相互作用及其应用的研究
和其他类型的光学微腔相比，回音壁光学微腔具有极高的品质因子和较小的模体积，在线性光学、非线性光学以及量子光学领域都有着广泛的应用，而对光学微腔内谐振模式进行有效的调控是激光物理和光学应用中的关键。通常情况下，由于微腔尺寸比谐振波长大得多，回音壁光学微腔内可以支持大量紧密间隔的模式，模式间的竞争会损坏谐振腔出射光的质量和光谱纯度，进而引起出射光在空间乃至时间上的波动。近年来，人们对有效的模式调控进行了深入的研究，传统研究中依赖于对增益和损耗的调控，但这种模场调控受到非均匀增益饱和等因素的阻碍。其他方法例如微腔外部耦合技术、内部增加色散元件、空间调制光泵浦等，虽然可以成功的对光学微腔内的模式进行选择，但这些方法只适用于特定的配置，而现阶段需要的是能够灵活调控模场的普适机制。带着这个目的，本论文从回音壁光学微腔内的模式相互作用出发，实现了包括单模操作、超快模式转换和模式手性等调控，为下一代光通信、传感和光子计算与存储等光电设备的发展提供了可能。本论文主要完成了以下工作： （1）理论上，针对现阶段研究对激光性能的要求，即具有更高的单色性、更少的模式竞争和更好的光束质量，对回音壁微腔单模操作的物理机制进行了研究。基于宇称-时间对称的理论系统，本文扩展研究了准宇称-时间对称系统，利用外模式耦合实现单纵模选择的理论机制。使用二维有限元数值计算对不完美对称光子分子微腔结构进行本征值分析，在理论上证明了准宇称-时间对称系统中外模式耦合机制在实现单模激光出射上的可行性，并且发现了外耦合机制对所选模式显著的增益增强效应。 （2）实验上，利用发光染料分子掺杂的有机聚合物材料，制备出了亚毫米量级准宇称-时间对称结构。通过光学泵浦，直接在实验上证实了不完美对称光子分子中产生的单模激光发射。进一步对其激光行为进行分析，验证了当进行选择性泵浦的时候，不仅能够在一个很宽的光学泵浦范围内保持稳定的单模性质，并且和均匀泵浦相比，这种单模激光的输出强度也显示出了极大的增强，这与理论分析结果完全一致。此外，这一机制对于制备精度的要求不高，可以利用标准光刻工艺实现大规模制备。 （3）进一步研究了模式间相互作用在激光行为的调控中所起到的关键性作用，尤其是研究它对于光学微腔内模式调控的影响。首先在不完美对称光子分子中得到单模激光，接下来，和传统的单模激光研究不同的是，当泵浦能量增加时，一个新的激光模式会使得初始激光模式经历一个负功率斜率过程，进而最终被彻底关闭，并且这一转换过程是可逆的。理论和实验证明这种模式的动态调控是通过交叉增益饱和的模式间相互作用实现的，在本质上和宇称-时间对称与双稳态机制引起的模式切换完全不同。此外，除了光子分子微腔结构，在有机无机金属卤化物钙钛矿半导体微米线激光系统中，实现了非线性模式间相互作用产生的超快模式转换，转换时间小于75ps。表明交叉增益饱和下的模式间相互作用引起的模式转换具有很强的鲁棒性，对于不同的材料和微腔系统，都能够实现腔内模式的超快动态调控。 （4）光学微腔内的模式手性在光学传感等实际应用领域有着极大的潜力。由于变形微腔内有着丰富的相空间物理机制。基于此，研究了光学微腔模式手性及其在传感中的应用。利用两个不同的混沌腔，组成异核双原子光子分子系统。首先，在理论和实验上验证了模式手性的产生。和传统的研究相比，这个内部的模式手性与激光出射到远场的能量分布密切相关，因此，腔内的模式手性能够通过远场能量分布而简单的表征出来。此外，当单个纳米颗粒附着在蜗牛线微腔上时，螺旋线微腔缺口处的不对称背向散射将会被纳米颗粒的对称散射而平均，那么内部的模式手性及其相应的远场能量分布将会发生变化，进而通过远场的激光定向出射的测量，单个纳米颗粒就能够被准确的探测到，并由于混沌腔内谐振模式拥有大量的角动量，探测结果对于纳米颗粒位置的依赖性也能够被消除，这将有助于手性光子器件实际应用的发展。 综上所述，本论文以回音壁光学微腔，尤其是光子分子微腔结构为平台，对微腔中模式间相互作用进行了研究。和传统研究相比，这些模式相互作用产生的模场调控更为普适，更重要的是，它们都表现出了对制备误差高度的容忍性，降低了器件的制备成本，能够进行大规模生产。利用异核双原子光子分子微腔系统，简化了腔内模式手性的表征，为高精度便携式光学传感设备的研究提供了新的思路。本论文的研究工作促进了回音壁光学微腔在集成光子器件和量子光学基础研究等重要应用领域的发展。
光学微腔;回音壁;谐振模式;相互作用
哈尔滨工业大学
博士
物理电子学
宋清海
2019
中文
TN628.1;TN601
2020-12-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）