摘要
回音壁模式（Whisperinggallerymode,WGM）光学微腔是一种尺寸在微米量级的环形谐振腔，因为其结构和谐振原理的特殊性，使其具备很多与普通谐振腔不同的光学特性。特别地，由于其具有很强的光场限制能力，能加强光与物质的相互作用，使其在光学传感、激光调控、精密测量和非线性光学等领域有着广阔的应用前景。微纳加工技术和材料生长技术的发展，让WGM微腔与具有特殊属性的材料结合成为了可能，同时进一步扩展了WGM微腔的应用场景，WGM微腔也向着集成化和多元化等商业应用的方向发展。 在理论方面，本文主要对WGM光学微腔和锥形光纤耦合系统的耦合状态、输出线型和非厄米简并现象进行理论推导和模拟分析。在实验方面，本文主要研究了毛细管微腔在电场传感和DNA分子检测方面的应用，以及微球腔的可调谐特性和在光纤激光选模方面的应用。本文的主要研究内容具体如下： 1．基于波导耦合理论和电磁场理论，对WGM光学微腔和锥形光纤耦合系统进行了系统的研究。理论推导了WGM微腔内谐振光谱和WGM透射谱的表达式，分析了在不同耦合条件下两者的变化情况。将WGM共振与法诺共振联系起来，分析了微腔中的法诺共振效应与法诺共振调控的原理。理论分析了双微腔耦合系统在奇异点附近发生非厄米简并的现象。 2．使用波动光学理论分析了毛细管微腔的体折射率灵敏度与微腔的半径、壁厚和谐振波长的关系。利用熔融充气加压法制备了高Q值毛细管微腔，设计并实现了一种无接触式的机械封装结构，能让毛细管微腔的Q值在封装前后保持在同一量级。向毛细管微腔中通入蛋白质溶液，基于电泳效应实现了对外界电场的检测。 3．基于单光子谐振一阶微扰理论分析了毛细管微腔内壁分子堆积密度与毛细管微腔体折射率灵敏度之间的关系。然后使用多聚-L-赖氨酸溶液和DNA探针等化学试剂对毛细管微腔内表面进行生物功能化，最后实现了DNA分子的无标记特异性检测。 4．首先基于模式耦合理论和光波导理论分析了微球腔的热调谐原理，其次使用有限元算法仿真了不同TiO2薄膜厚度对WGM光场分布的影响。然后设计并搭建了高功率CO2激光加工系统，加工出Q值高达108以上的微球腔，再利用原子沉积技术将TiO2薄膜沉积在微球腔表面，增强WGM的调谐特性。由于TiO2薄膜具有高的热光系数，镀膜后微球腔的热调谐灵敏度最大可达0.43nm/mW。将镀膜后的微球腔用作可调谐滤波器和选模器件，放入双环腔光纤激光器中，实现了可调谐单波长激光输出，调谐范围为0.22nm。
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