北京工业大学材料与制造学部 激光工程研究院，北京 100124
利用稀土离子掺杂材料、有机染料以及量子点等荧光材料实现荧光温度传感在航空航天、生物医疗、食品储存等领域具有重要意义。其中，无机卤化物钙钛矿量子点（PeQDs）荧光材料由于具有量子产率高，温度依赖性强等特点，在荧光温度传感领域展现了巨大的应用前景。然而，PeQDs只有一个光致荧光（PL）峰，其强度和位置极易受到浓度和尺寸等因素的干扰，因此用单一PL峰进行温度传感的准确性较低。在本工作中，我们提出了一种微球腔阵列（MCA）耦合PeQDs薄膜（MCA/PeQDs）的新型温度传感结构，利用MCA/PeQDs结构与PeQDs薄膜具有温度依赖性的PL峰值强度比实现温度传感。该结构通过微球腔中回音壁模式（WGMs）增强的Purcell效应提高了自发辐射速率，抑制了声子辅助猝灭效应，从而实现了较好的PeQDs荧光增强。结果表明，在223～373 K范围内，当PeQDs浓度为0.131 6 mg/mL、微球腔直径为（19±1）μm时，该结构的绝对灵敏度（Sa）与相对灵敏度（Sr）可达到0.75 K-1和1.95%·K-1。本工作克服了使用单个PL峰进行温度传感准确性差的缺点，为荧光材料在高性能荧光温度传感器中的应用开辟了新的途径。
温度传感 微球腔 无机卤化物钙钛矿量子点 荧光增强 temperature sensing microsphere cavity inorganic halide perovskite quantum dots fluorescence enhancement
1 东北大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819
2 东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳 110819
3 东北大学秦皇岛分校河北省微纳精密光学传感与检测技术重点实验室，河北 秦皇岛 066004
提出一种在纤式回音壁模式微球谐振腔，并对其温度和折射率传感特性进行研究。首先，分析了不同尺寸的微球腔与光纤结构耦合时的相位匹配情况，以锥形光纤为探针来拾取并移动钛酸钡微球，将其嵌入空心光纤，形成在纤式谐振腔结构，从而在微球中激发回音壁模式，并与空心光纤端面的反射光相互作用，产生法诺共振。实验结果表明，激发的法诺共振峰曲线的斜率高达-99.3 dB/nm。另外，通过实验证明了此结构对温度和折射率均具有较好的传感特性，灵敏度分别为26.8 pm/℃和-244.97 dB/RIU。该谐振腔性能稳定、结构紧凑、加工简单，在纤式的反射结构使其有望在复杂的传感环境中发挥作用。
光纤光学 光纤传感器 在纤式 回音壁模式 微球腔
南京邮电大学电子与光学工程学院, 微电子学院, 江苏 南京 210023
提出并研究了一种基于磷酸盐玻璃微球腔的全光调谐光纤滤波器。利用自制的磷酸盐玻璃预制棒,以拉丝的方式制作出直径为200~500μm、纤芯-包层折射率差为0.004的磷酸盐玻璃光纤。利用大功率CO2激光器熔融加热光纤制备出Q值达7.28×10 5的微球腔。利用1550nm波段的可调谐激光器,通过锥形光纤耦合方式激发微球腔内回音壁模式(WGM)共振,获得带宽约 2pm、插入损耗小于0.3dB的耦合共振谱。在不同功率泵浦光的注入下,磷酸盐玻璃微球腔具有比普通石英微球腔更高的光敏感特性。实验结果表明:当微腔泵浦光功率增加时,磷酸盐玻璃微球腔内的WGM共振谱向短波长漂移(蓝移),光热调谐灵敏度约为72.727pm/mW,线性度大于0.99;在相同光功率变化下,普通石英微球腔内的WGM共振谱向长波长漂移(红移),光热调谐灵敏度约为0.086pm/mW,线性度较低。本文提出的磷酸盐玻璃微球腔全光调谐滤波器具有全光控制、结构紧凑、稳定性好、超窄带宽和调谐效率高等优势,在光纤传感和光纤通信等领域具有重要应用。
光纤光学 磷酸盐玻璃 微球腔 全光调谐 回音壁模式 光热调谐
北京市激光应用技术工程技术研究中心, 跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室,北京工业大学激光工程研究院, 北京 100124
回音壁模式是光子在一个准二维平面内运动,并不断地在微腔边界发生全反射而不折射出腔的一种光学模式,具有高的Q值和小的模式体积,对外部环境的变化极其敏感。利用回音壁模式可以使宽带荧光实现窄光谱的激光输出。利用掺杂DG(dragon green)荧光染料的聚苯乙烯微球作为回音壁模式光学微腔,通过细胞的吞噬功能,使荧光微球到达细胞内部,利用纳秒脉冲激光进行泵浦,实现了细胞内的回音壁模式激光输出。与在纯水环境中的激光输出相比,细胞内荧光微球回音壁模式的谐振峰发生了红移,且红移量与细胞类型有关,说明可以用回音壁模式实现细胞种类的无标记识别。
生物光学 回音壁模式 微球腔 细胞内吞 生物传感 波长偏移
福州大学物理与信息工程学院, 福建 福州 350108
采用电极火花放电法和溶胶-凝胶法制备了直径均为206 μm的SiO2微球腔和TiO2-SiO2混合微球腔,测得它们在1550 nm处的品质因子分别为2.15×10
7和1.36×10
6。宽带谐振透射谱显示,与相同尺寸的SiO2微球腔相比,混合腔中高阶回音壁模式的谐振峰吸收深度比增大,有效激发了高阶模式; 另外,谐振波长平均红移了0.706 nm,对应的自由光谱范围减小了0.020 nm,表明TiO2薄膜能有效调节SiO2微球腔的谐振特性。直径为134 μm的微球腔的谐振波长平均红移量和自由光谱范围平均减小量分别为1.012 nm和0.022 nm,表明小尺寸微球腔具有更强的谐振调节能力。
光谱学 高阶回音壁模式 溶胶-凝胶法 混合微球腔 谐振调节 TiO2薄膜
1 中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系, 安徽 合肥 230026
2 哈尔滨工业大学 信息光电子研究所, 山东 威海 264209
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1000 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.
微纳光学 光学微球腔 波导光学 回音壁模式 时域有限差分法 耦合特性 Micro-nano optics microsphere resonator waveguide optics whispering gallery modes FDTD coupling characteristics
中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系,合肥 230026
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1.2 mm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.
光纤光学 激光稳频 光学微球腔 回音壁模式 Fiber optics Laser frequency stabilization Optical microsphere cavity PDH PDH Whispering gallery mode
提出一种新型的基于复合微球腔WGM(回音壁模式)共振谱的全光纤激光腔内选模方法。通过多层介质和并联结构构造复合光学微球腔, 基于FDTD(有限差分时域)算法仿真并分析了复合微球腔内WGM的光场分布特性。基于复合光学微球腔-拉锥光纤的最佳耦合条件, 计算得到其传输透射谱。通过优化复合微球腔的参数并改进耦合条件, 实现了WGM共振谱带宽的压缩和边模抑制比的提高。所获得的窄带透射谱对实现全光纤激光选模具有重要意义。
回音壁模式 微球腔 多层介质 双微球 透射谱 WGM microsphere cavity multilayer medium double microsphere transmission spectrum
山东理工大学电气与电子工程学院,淄博 255049
利用T矩阵方法研究了表面吸附有随机分布小颗粒的光学微球腔的光学特性,通过计算其散射效率和不对称因子分析了吸附小颗粒的数量、尺寸对微球腔形貌共振(Morphology-Dependent Resonances,MDR)廓线的影响;利用分离变量法研究了具有均匀吸附膜(同心双层球)微球腔的光学特性,分析了吸附膜的厚度对谐振廓线的影响。结果表明,附着于微球腔表面的小颗粒以及均匀吸附层,都将对整个微球腔的形貌共振产生影响,并使光学微球腔的品质因数降低,甚至不产生回音壁模。
光散射 形貌共振 微球腔 小尺寸表面粗糙 scattering morphology-dependent resonances micro-sphere cavity small-scale surface roughness
