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(guò)沿著微腔邊界的全內(nèi)反射將光長(zhǎng)時(shí)間的限制在腔內(nèi)，并形成超高品質(zhì)因子（Quality Factor，簡(jiǎn)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(duì)于這類應(yīng)用而言，幾個(gè)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(duì)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(dòng)量，這類微腔的Q值經(jīng)常衰減的很嚴(yán)重。此外，之前對(duì)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(jì)。所有的這些缺點(diǎn)都會(huì)限制光學(xué)微腔的實(shí)際應(yīng)用。本文的研究基于以上的討論，證明了一個(gè)更新、更普遍、更穩(wěn)健的機(jī)制來(lái)同時(shí)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(guò)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(duì)于單分子探測(cè)上的應(yīng)用。
　　完成的主要工作如下所示：
　　1、本文設(shè)計(jì)了一個(gè)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(shí)獲得超

3、高 Q值和單向出射。通過(guò)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(gè)長(zhǎng)壽命諧振和寬的頻段內(nèi)存在。同時(shí)，高 Q值和單向出射的范圍很寬，使得這個(gè)新的機(jī)制更適用于實(shí)際應(yīng)用。上述的機(jī)制通過(guò)基于有限元法（Finite-element Method，簡(jiǎn)稱FEM）的COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行模擬計(jì)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(gè)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(guò)數(shù)值

4、模擬計(jì)算證明，超高 Q值、單向出射和手性可以同時(shí)獲得。并且很容易在腔內(nèi)獲得非正交模式對(duì)，非正交模式對(duì)的共同傳播方向可以通過(guò)光子分子內(nèi)的模式耦合作用來(lái)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(cè)中有著極高的應(yīng)用價(jià)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(cè)中，使用的是奇點(diǎn)（Exceptional Point，簡(jiǎn)稱EP）附近的模式。當(dāng)一個(gè)納米顆粒靠近在EP附近諧振的光子分子時(shí)，主要的諧振行為就受到強(qiáng)烈

5、的擾動(dòng)。除了模式劈裂以外，本文又提出了光子分子的遠(yuǎn)場(chǎng)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(gè)分子，可以簡(jiǎn)單地通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)分布圖案的變化進(jìn)行檢測(cè)。本文所提出的探測(cè)方法很簡(jiǎn)單，不需要使用昂貴的高精度設(shè)備，在無(wú)標(biāo)記單分子探測(cè)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(duì)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(shì)。對(duì)其在光子分子和單分子探測(cè)中的應(yīng)用的研究表明