內(nèi)邊界變形環(huán)形微腔的定向出射及其應(yīng)用的研究.pdf

1、回音壁模式的光學(xué)微腔通過沿著微腔邊界的全內(nèi)反射將光長時間的限制在腔內(nèi)，并形成超高品質(zhì)因子（Quality Factor，簡稱Q值），使得它在光學(xué)傳感和微納尺寸的相干光源上有很大的應(yīng)用潛力。對于這類應(yīng)用而言，幾個主要參數(shù)有高 Q值、單向出射和大的手性。為了得到單向出射，通常的方法就是對微腔邊界進(jìn)行變形。然而，由于變形微腔不能保持局域諧振的角動量，這類微腔的Q值經(jīng)常衰減的很嚴(yán)重。此外，之前對于手性諧振的研究不是低 Q值模式就是需要一些特殊的

2、微腔設(shè)計。所有的這些缺點都會限制光學(xué)微腔的實際應(yīng)用。本文的研究基于以上的討論，證明了一個更新、更普遍、更穩(wěn)健的機(jī)制來同時得到超高 Q值和單向出射。然后，將這種定向出射機(jī)制應(yīng)用于光子分子中，通過數(shù)值模擬證明，除了超高 Q值和單向出射，同樣可以得到大的手性值。最后，本文分析了這種光子分子對于單分子探測上的應(yīng)用。
　　完成的主要工作如下所示：
　　1、本文設(shè)計了一個新型的內(nèi)邊界變形環(huán)形微腔，研究其定向出射機(jī)制，得以在其中同時獲得超

3、高 Q值和單向出射。通過調(diào)整環(huán)形微腔內(nèi)邊界的位置、尺寸和形狀，證明了單向出射可以在一個長壽命諧振和寬的頻段內(nèi)存在。同時，高 Q值和單向出射的范圍很寬，使得這個新的機(jī)制更適用于實際應(yīng)用。上述的機(jī)制通過基于有限元法（Finite-element Method，簡稱FEM）的COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行模擬計算被證明。
　　2、本文將上述機(jī)制擴(kuò)展到光子分子中。將一個圓形微腔放置在內(nèi)邊界為螺旋線形的環(huán)形微腔旁邊，通過數(shù)值

4、模擬計算證明，超高 Q值、單向出射和手性可以同時獲得。并且很容易在腔內(nèi)獲得非正交模式對，非正交模式對的共同傳播方向可以通過光子分子內(nèi)的模式耦合作用來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這一特性可以進(jìn)一步提高它的靈敏度，在光學(xué)傳感和探測中有著極高的應(yīng)用價值。
　　3、基于上述討論，本文將光子分子結(jié)構(gòu)應(yīng)用于單分子探測中，使用的是奇點（Exceptional Point，簡稱EP）附近的模式。當(dāng)一個納米顆?？拷贓P附近諧振的光子分子時，主要的諧振行為就受到強(qiáng)烈

5、的擾動。除了模式劈裂以外，本文又提出了光子分子的遠(yuǎn)場分布圖案也發(fā)生了巨大的變化。以聚苯乙烯分子為例，證明了半徑在1 nm到7 nm的單個分子，可以簡單地通過遠(yuǎn)場分布圖案的變化進(jìn)行檢測。本文所提出的探測方法很簡單，不需要使用昂貴的高精度設(shè)備，在無標(biāo)記單分子探測中具有極高的應(yīng)用潛力。
　　本文中所提出的新型內(nèi)邊界變形環(huán)形微腔定向出射的機(jī)制對于例如EP和模式耦合這類基礎(chǔ)理論的研究具有新的優(yōu)勢。對其在光子分子和單分子探測中的應(yīng)用的研究表明