摘要：液晶回音壁模式(WGM)传感技术结合了液晶材料的高敏感性和光学WGM的高精度特性,在物质检测、环境监测和生物医疗等领域具有广阔的应用前景。为提升传感测量的精度和灵敏度,除了改善传感器的结构特性以外,如提高品质因子、实现窄线宽、提升波长移动范围等,准确标定WGM光谱谱线是一个重要内容。然而,实际应用中,WGM光谱的非规则分布给谱线标定带来了挑战。本文针对此问题提出了一种基于Savitzky-Golay(SG)滤波和高斯平滑的WGM非规则光谱标定方法,并提出了光谱标定的对称性、高线性和合理性三原则。将WGM光谱标定分为规则和非规则两类。对于规则光谱,具有良好的洛伦兹线型和高斯包络轮廓,可以选择最高强度谱线或中心波长,或者具有相同自由光谱范围(FSR)的相邻模式谱线作为谐振波长。而对于非规则光谱,可以分为三类:(1)光谱缺峰和强度突变,主要由于谐振条件的损耗变化所致;(2)光谱非规则劈裂,液晶微腔中可能存在微小的缺陷或杂质,导致光谱的非对称劈裂;(3)混合型变化光谱,受到复杂测量环境的影响,可能出现多种不规则变化。通过SG滤波和高斯平滑处理,有效地恢复光谱的对称性,提升拟合线性度,实现光谱标定。为验证该方法的有效性,根据不同类型光谱标定情况,分别设计了利用液晶WGM对不同生物分子的传感实验,包括胰蛋白酶(浓度0.75~2.00μg·mL^(-1))、pH(4.55~6.86)、DNA(浓度90~490μg·mL^(-1))等。实验结果表明,采用本文方法和三原则进行液晶WGM光谱标定和谐振峰选取,传感灵敏度的线性度均在0.99以上,具有较好的可靠性和稳定性。该研究创新之处在于提出了针对液晶WGM光谱非规则分布的有效标定方法和三原则,为提高液晶WGM传感测量的准确性和有效性提供了有效解决方案和重要的理论和方法支持,具有重要的应用和理论意义。

摘要：针对光通信波段,分析了标准圆盘形结构和其他三种变体结构的WGM微谐振腔,讨论了通过改变传输波导和微腔之间的间距以及改变传输波导的几何形状对耦合系数的影响,基于FDTD算法,分别计算了四种结构的耦合系数、谐振频率、模场分布及品质因数等,发现模式的匹配程度和输入波导的弯曲损耗均对品质因数有影响,而四种结构的品质因数和耦合系数的变化规律相反,故具体应用中为了达到较高的耦合效率,须在较高的品质因数与较大的耦合系数之间进行折中,经比较得到了一种输入波导弯曲的优化圆盘形结构。

摘要：提出了一种耦合微球和波导系统的有效方法,并在数值和实验上进行了论证.为了研究微球腔和波导系统的耦合特性,首先通过耦合模理论研究了这个系统的2D模型.通过有限时域差分法设计了一个数值仿真系统.在快速傅里叶变换(FFT)处理样本数据后,得到了波长范围从600 nm到1 000 nm的相对强度谱曲线和传输谱曲线.在实验中,采用熔融单模光纤顶端的方法制得了石英材料微球腔.采用热拉技术制得了锥形光纤,用来作为激发微球腔中回音壁模式的波导.测试了这个微球腔-锥形光纤耦合系统,通过优化微球腔与锥形光纤的相对位置得到其品质因数高达2.3×106,耦合效率高达92.5%.这些耦合特性可以很好地用理论结果解释.这些特性表明了其在实际微腔传感和微型激光器中极具潜力.

摘要：针对原位DNA传感的测量需求,提出了一种基于空芯光纤回音壁模式(WGM)的光流控光纤传感器。从仿真和实验两个方面对提出的DNA传感器进行探究。通过仿真探究得到锥形光纤的尺寸、空芯光纤谐振腔的厚度以及锥形光纤和空芯光纤谐振腔的耦合间距对WGM的作用规律,在仿真规律的指导下设计和完成实验。实验结果表明,减小谐振腔的厚度可以提高传感器灵敏度,谐振腔厚度为2μm时的折射率灵敏度可达206 nm/RIU,是厚度为4.5μm谐振腔的灵敏度的1.4倍,满足由于DNA分子杂交而在光纤表面产生的局部折射率变化的检测灵敏度要求。通过将探针DNA固定在空芯光纤谐振腔的微流通道,可以实现互补DNA的浓度梯度检测。所提出的传感器的线性检测范围为10~100 nmol/L,灵敏度为0.56 pm/(nmol/L),线性度为0.994。此外,所提出的基于WGM的DNA光纤传感器具有很好的特异性,为原位DNA检测在医学诊断和预后中的应用提供基础。

摘要：光学微球腔因其回音壁模式可获得极高的品质因数而受到广泛关注.本文分析了Fabry-Perot腔和微球腔的基本原理,通过CO2激光熔融光纤实验制得了直径为1.2mm的微球腔,并测试了微球腔和锥形光纤耦合结构的耦合特性.采用典型的PDH稳频系统设计了基于微球腔的稳频系统,分析了用于鉴频的误差曲线的吸收特性和色散特性,对比了不同调制频率、微球腔直径、耦合损耗、传输损耗下与误差曲线斜率的关系.结果表明:耦合状态下最大Q值可达到1.1×108,调节微球腔内横磁模和横电模的转换可优化耦合效率,匹配微球腔和锥形光纤的尺寸得到了径向二阶模式的透射谱,误差曲线效率达到15.4A mW/MHz.球腔在提高PDH稳频技术灵敏度上具有巨大潜力.

摘要：为加快回音壁模式微波谐振腔测温仪在工业精密测温领域的应用,提高工业精密测温的测量精度和抗震性,研究基于圆柱状蓝宝石的回音壁模式微波谐振腔测温仪的金属腔体与中心介质的尺寸优化设计。分别对相同比例下不同尺寸的蓝宝石与腔体以及相同蓝宝石尺寸下不同腔体尺寸的谐振频率变化和品质因数改变的规律进行探索。研究发现,谐振频率可随腔体尺寸的增加而指数减小,但一味增大腔体尺寸并不能提高品质因数,反而有可能降低测量精度。研究成果可以揭示测温仪的测量精度变化规律特点,探寻最优尺寸设计,为微波谐振腔测温仪的小型化和高精密研究提供参考,加快其在高精密工业测温领域的广泛应用。

摘要：回音壁模式微波谐振腔用于工业温度精密测量具有测量精度高、抗震性强、成本低等优点。该文对直径和高度均为12 mm的圆柱状蓝宝石及其2倍尺寸的铜腔进行温度模拟仿真,通过对谐振频率和品质因数与温度的变化关系进行研究,并与实验结果进行对比,获得仿真结果的温度测量精度,为微波谐振腔测温仪的小型化和高精密研究提供参考,加快其在高精密工业测温领域的广泛应用。

摘要：本文设计了一种基于磁流体的回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)微腔磁场传感方案,并进行了实验验证.利用WGM微泡腔天然的微流控通道,可以直接向微腔中注入磁流体,使磁流体与WGM倏逝场充分地相互作用.通过仿真分析了注入磁流体前后WGM光场分布的变化以及微泡腔壁厚对传感灵敏度的影响;实验上,制备了微泡腔,并进行了磁场传感实验研究.当施加的外界磁场逐渐增大时,磁流体的折射率随之增大,导致微泡腔共振波长红移,在6–22 mT的磁场强度范围内,测得该磁场传感器的灵敏度为2.15 pm/mT,探测极限(即最小可探测的磁场变化量)约为0.03 mT.当磁场强度达到22 m T时,磁流体折射率达到饱和值,此时继续增大磁场强度,谐振波长不再偏移.本文制备的磁场传感器具有成本低、易于制备、可靠性高的优势,在磁场检测领域具有重要的应用价值.

摘要：基于严格的广义双级数方法,研究了二维电磁亥姆霍兹腔内回音壁模式的激发;在给出几种回音壁模式的激发波长的同时,探讨了入射角、亥姆霍兹腔开口大小对回音壁模式的影响.结果表明,回音壁模式对入射波长和腔开口大小的改变非常敏感,但相比而言,固定腔的方位角不变时,入射角在较宽范围内的变化并不影响模式的激发.因此,腔的开口大小对亥姆霍兹腔的性能有很大影响,是亥姆霍兹腔设计中需要重点关注的参量.而当这些亥姆霍兹腔用于构建人工电磁材料时,由于回音壁模式可在较宽的入射角下激发,因而不需要严格要求每个腔的开口方向,材料的加工难度也不大.

摘要：回音壁模式光学微腔具有极高的品质因子和极小的模式体积，因此人们可以在这类光器件中观测到很多传统光学器件观测不到的新奇物理效应，其中很多物理特性都可用于设计不同的微纳传感器，测量热、力、电等信号，并用于微纳器件信息读取和生物传感等领域。