光學(xué)回音壁微腔模式特性的理論研究與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、本論文主要圍繞“光學(xué)回音壁微腔模式特性的理論研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)”這個(gè)主題展開(kāi)理論和應(yīng)用研究工作，主要討論了WGM（回音壁模）微腔的光場(chǎng)方向性發(fā)射、多模抑制與選擇，階梯狀FDTD 模擬中高Q 值圓腔的不穩(wěn)定現(xiàn)象和解釋，微腔散射損耗估計(jì)，及圓腔與多層圓腔的本征場(chǎng)折射—反射模型及其對(duì)于散射、諧振問(wèn)題求解和干涉調(diào)制現(xiàn)象解釋等方面的問(wèn)題。
　　 我們的具體工作如下：
　　 ◆微花朵腔內(nèi)模式抑制、選擇與光場(chǎng)方向性發(fā)射和Q值穩(wěn)定性分析微花

2、朵腔像微齒輪腔一樣其周邊的Bragg 光柵可以有效分裂角向模次為柵頻率一半的二重簡(jiǎn)并的WGM，并提高其中一個(gè)模式的Q值而抑制另一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)模式，另一方面，Bragg 光柵還可抑制角向模次與柵頻率不滿足一半關(guān)系的其它模式。微花朵腔邊界的局部變形（包括其柵“瓣”的拉長(zhǎng)和壓縮和柵“谷”加深和變淺。）可導(dǎo)致模式Q 值的破壞并引發(fā)光場(chǎng)的方向性發(fā)射，合理控制變形參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)微花朵腔的光場(chǎng)的單方向性發(fā)射。
　　 ◆直角FDTD方法在微腔模擬中的人

3、工散射損耗研究與改進(jìn)研究基于直角網(wǎng)格的階梯狀近似在大量的FDTD（時(shí)域有限差分）算法中有應(yīng)用。由階梯狀邊界近似所引入的人為邊界粗糙性導(dǎo)致了FDTD微腔模擬、分析的精度不足，并存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，特別是高Q 值計(jì)算。基于考慮腔存在對(duì)微擾極化電流散射場(chǎng)的影響的類體積電流方法（類VCM）可很好的解釋FDTD圓腔模擬Q 值的偏低和不穩(wěn)定現(xiàn)象。類VCM 方法不陷于對(duì)于FDTD 散射損耗的計(jì)算，它可應(yīng)用于腔在各種參數(shù)擾動(dòng)下所導(dǎo)致的散射損耗計(jì)算，它嚴(yán)格考

4、慮到了腔存在對(duì)微擾極化電流的輻射過(guò)程的影響，因而比一般的VCM 方法更精確。
　　 階梯狀邊界近似所固有的人工散射損耗限制了其在高Q 值計(jì)算方面的應(yīng)用，我們希望其它改進(jìn)的算法可湊效，而基于直角網(wǎng)格的有效介電常數(shù)方法（如V-EP、CP-EP 等）一方面不明顯增加原算法的復(fù)雜性，另一方面可顯著提高計(jì)算精度，不過(guò)它們對(duì)于極高Q 值的計(jì)算依然顯得有些不足，簡(jiǎn)單而有效的可模擬極高Q 值微腔的FDTD算法依然有吸引力.
　　 ◆圓腔

5、WGM 自洽場(chǎng)描述和多層圓腔中的干涉調(diào)制現(xiàn)象本征場(chǎng)折射—反射模型提供給我們一種以直觀方式求解圓腔或多層圓腔散射與諧振問(wèn)題的簡(jiǎn)單方法?；诒菊鲌?chǎng)的自再現(xiàn)（自洽）圖像，我們可簡(jiǎn)單而直觀地求解圓腔或多層圓腔WGM 問(wèn)題，并且對(duì)于圓腔，基于本征場(chǎng)的波場(chǎng)—射線對(duì)應(yīng)關(guān)系，這一過(guò)程更加形象。同時(shí)基于本征場(chǎng)折射—反射模型，我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圓腔或多層圓腔散射問(wèn)題簡(jiǎn)單地求解。由本征場(chǎng)折射—反射模型所給出的本征波數(shù)方程也更加適合研究WGM的模譜特性。
　

6、　 多層圓腔中干涉調(diào)制現(xiàn)象也可基于分析由本征場(chǎng)折射—反射模型給出本征波數(shù)方程發(fā)現(xiàn)并解釋。在理解層面，干涉調(diào)制可基于多層圓腔內(nèi)、外各腔WGM的耦合去認(rèn)識(shí)。總腔WGM的譜為未耦合各腔未WGM 譜與耦合WGM譜的交替排列形成。考慮帶有包覆層的兩層圓腔，耦合WGM 為內(nèi)圓腔WGM和外環(huán)腔WGM發(fā)生共振時(shí)導(dǎo)致二者間的較強(qiáng)的相互作用而形成，參與作用的WGM 因?yàn)轳詈闲纬蓪?duì)稱及反對(duì)稱WGM。最內(nèi)層圓腔WGM 因?yàn)榕c外部腔WGM的耦合可單獨(dú)出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)