《回音壁模式光学微腔及其应用》

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该项目围绕光波的回音壁模式以及约束该模式的光学微腔开展研究,通过建立理论模型、开展数值计算和实验相结合的研究方法,取得了一系列的原创性研究成果。

光学微腔的尺寸从几微米到几百微米,具有品质因子(Q)非常高(最高可达10的11次方),模式体积小,加工工艺相对简单和可集成等优点。回音壁模式微腔既可以作为基础理论研究平台,如研究强耦合腔量子电动力学、控制自发辐射和量子信息处理等,又可以作为重要的微纳光子器件实现多种应用,如制造低阈值激光光源、用于光通讯的动态滤波器、光频率梳发生器、生化传感器和光学陀螺仪等。因此回音壁模式微腔成为微纳光学领域中一个炙手可热的研究方向。

1、项目的主要技术成果:

该项目研究了回音壁模式光学微腔的定向发射理论、腔形设计和计算方法、耦合方案、制作材料,及微腔在传感和制作非互易器件中的应用。

(1)开发出了一套有理论支撑的实用化微腔设计方案,并对微腔中广泛采用的边界元计算方法进行改进。

(2)提出微腔自由空间远场耦合的理论并作出数值验证;提出长程的自由空间耦合方案;提出可用于高灵敏度传感的垂直波导耦合方案。

(3)首次提出微腔瞬态传感的理论,利用微腔的瞬态响应提高传感灵敏度和时间分辨率。

(4)提出一种基于光学微腔实现全光环路器的新方案,设计得到光学环路器,继而提出了通过耗散调控打破模式耦合系统中光互易传播的新理论。

(5)制备可用于微腔发光光源的纳米线阵列材料,实验研究飞秒激光直写处理腔表面的方法。

2、项目的科学创新:

(1)首次从统计学角度讨论了光线模拟的精度、腔边界形状的误差对腔模式的影响,证实光线模拟的有效性和腔形的鲁棒性。基于以上两点提出一个高效的腔形优化算法,并以定向发射腔为例证实该方法有效。

(2)建立小变形度的微腔抽象模型,发现变形腔的透射谱呈非对称形而不是对称的洛仑兹形,这是由多模干涉效应带来的,耦合效率也不能直接由曲线低点导出。

(3)提出了一种基于高品质因子微腔的瞬态、高灵敏度传感方式:监测扫描信号输入时的透射谱或者监测固定输入激光频率时的透射谱。非平衡态响应曲线可以快速、灵敏的反映环境的变化。

(4)通过对耗散进行调控,实现了两相向传播的模式之间的间接耦合。与直接耦合结合,可以打破谐振腔中的手征对称性,将光限制在一个方向上传播。

3、项目的科学意义:

该项目对全面认识微腔的性质,提高微腔的耦合效率,丰富微腔的耦合方式,优化微腔发射角有重要意义。同时将推动微腔模式耦合理论和数值模拟算法的发展,并且推动微腔时域及非线性领域研究,拓展其应用范围。

4、成果及影响力:

该项目相关研究内容发表代表性SCI论文8篇,其中JCR2区(中科院分区,下同)论文5篇,获授权专利4件,形成科技报告1份。代表性论文他引总次数58次,受邀参加国际大会做口头邀请报告2次。

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