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基于宇称-时间对称的微腔单向出射研究

基于宇称-时间对称的微腔单向出射研究

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作者：朱丹荔哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

基于回音壁模式的光学微腔成了近年来的研究热点。其高品质因子和低阈值性,在集成光学和信息光学等领域中有着很好的应用前景。目前光学微腔的形状也多种多样,主要包括微球腔、微环腔、微盘腔。本文主要研究了将微盘腔内引入圆孔和散射... 详细信息

基于回音壁模式的光学微腔成了近年来的研究热点。其高品质因子和低阈值性,在集成光学和信息光学等领域中有着很好的应用前景。目前光学微腔的形状也多种多样,主要包括微球腔、微环腔、微盘腔。本文主要研究了将微盘腔内引入圆孔和散射粒子后出射端的各种现象,并通过引入折射率虚部调制的宇称-时间对称（Parity-time symmetry,简称PT对称）结构来进一步影响微腔内部射线动力学,从而对微腔的模式选择以及对微腔出射端激光的方向性产生影响。对环形腔而言,本文分析了向圆形微盘中引入非同心圆孔时低阶模与高阶模之间的耦合情况,得出结论:方向性差的低阶模能通过与方向性好的高阶模的耦合来获得良好的单向出射。通过模式分析法,找到了环形腔能够实现单向出射的原因。对点散射腔来说,当散射粒子恰好位于圆盘的焦点处,腔内特定模式的光可以有效地沿逆聚焦路径散射和传播,从而实现激光的单向出射。上述机制用到了COMSOL Multiphysics软件进行本征模式分析,并运用了MATLAB程序对模式的角动量分布进行了计算。通过对环形腔和点散射微腔的分析,得出了其产生激光单向出射的局限性:具有更高质量品质因子的模式往往拥有更差的方向性,而那些方向性较好的模式却拥有相对较低的品质因子,因此难以被激发。本文引入了PT对称结构解决这一问题。系统在满足PT对称情况下其本征值可以为实数,其整体增益和损耗相平衡为中性。而在某些条件下,系统的PT对称性被打破,此时系统的本征值不再是实数,通常只有一个模式满足增益条件,从而实现单模出射。通过应用PT对称性的简单概念,我们证明了具有良好设计的方向性的共振可以在光学微腔中被选择性地激发。此外,本文还发现了圆形微盘腔中折射率虚部上的PT对称调制会影响内部射线动力学这一现象,从而首次实现不改变微盘结构也能够产生高度定向的激光发射。以前面的环形腔设计理论为标准,将内圆中镀上与外圆调制恰好相反的PT对称结构,通过打破PT对称性,同时实现了单向激光发射和单模操作。该研究可以推动PT对称系统的基础研究和实际应用。

关键词：环形微腔点散射微腔本征频率单向出射单模出射 PT对称

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内边界变形环形微腔的定向出射及其应用的研究

内边界变形环形微腔的定向出射及其应用的研究

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作者：张楠哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：变形微腔 Q值单向出射手性单分子探测

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