光學(xué)環(huán)形諧振腔溫度和磁場傳感特性研究.pdf

1、環(huán)形諧振腔由于其高集成度、高分辨率和易加工等優(yōu)點(diǎn)受到研究人員的廣泛關(guān)注。它可以用于實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波器、光開關(guān)、光學(xué)延遲器、光學(xué)傳感器等多種光學(xué)器件。溫度傳感器和磁場傳感器是它的兩個(gè)典型的應(yīng)用。本文研究了光學(xué)環(huán)形諧振腔的溫度和磁場傳感特性，具體內(nèi)容如下：
　　第一，介紹了幾種常見諧振腔的光學(xué)特性和傳感應(yīng)用的研究現(xiàn)狀。其中包含波導(dǎo)環(huán)形諧振腔及其耦合馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)和不同種類的回音壁模式諧振腔。隨后介紹了基于環(huán)形諧振腔的溫度和磁場傳感器研

2、究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了這個(gè)領(lǐng)域中需要進(jìn)一步補(bǔ)充和改進(jìn)的研究內(nèi)容，作為本論文的主要研究內(nèi)容。
　　第二，以單環(huán)諧振腔及其耦合馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)為例，介紹了傳輸矩陣?yán)碚撁枋鼋Y(jié)構(gòu)傳輸特性的方法。并對該結(jié)構(gòu)的溫度傳感特性研究步驟進(jìn)行介紹。同時(shí)，介紹了回音壁模式諧振腔的光學(xué)和機(jī)械模式計(jì)算理論及計(jì)算方法，并模擬了回音壁模式諧振腔的光學(xué)和機(jī)械模式，給出評價(jià)模式優(yōu)劣的指標(biāo)。隨后提出了簡易的描述回音壁模式諧振腔磁場傳感特性的理論，預(yù)測了回音壁模

3、式諧振腔的磁場靈敏度。為選取合適的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，理論上對棱鏡與諧振腔的耦合系統(tǒng)中光入射角度進(jìn)行計(jì)算，確定了實(shí)驗(yàn)中光學(xué)元件的位置；同時(shí)介紹了Pound-Drever-Hall穩(wěn)頻理論，確定后續(xù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)頻時(shí)所需的調(diào)制頻率。
　　第三，對上下話路單環(huán)諧振腔耦合馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。理論分析了上下話路單環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)兩輸出端口的色散和透射特性。在此基礎(chǔ)上，提出利用這兩個(gè)端口的正反常色散特性提高干涉儀靈敏度的方案。理論分析得到上下話路

4、單環(huán)諧振腔耦合馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)的色散靈敏度，確定了在不同耦合區(qū)域內(nèi)如何選取上下話路單環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)參數(shù)才能獲得最佳色散靈敏度。并在其中選取一組參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，得到與理論基本一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最后，計(jì)算了利用上下話路單環(huán)諧振腔耦合馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度傳感時(shí)的傳感精度，與傳統(tǒng)馬赫曾德干涉儀的傳感結(jié)果進(jìn)行比較，揭示了色散靈敏度的意義。
　　第四，利用單環(huán)鑲嵌諧振腔耦合馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)獲得傳感實(shí)驗(yàn)所需的非對稱法諾諧振。理論計(jì)算了該結(jié)構(gòu)

5、在參考臂上引入不同的相位偏置時(shí)兩個(gè)輸出端口的透射譜線，選取兩個(gè)端口能夠產(chǎn)生光強(qiáng)變化相反的非對稱法諾諧振的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行溫度傳感研究。通過數(shù)值模擬的方法討論了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對溫度傳感特性的影響。
　　第五，實(shí)驗(yàn)上研究了回音壁模式諧振腔的光學(xué)和磁場傳感特性。利用COMSOL數(shù)值模擬諧振腔機(jī)械模式頻率來確定諧振腔在何種尺寸才能實(shí)現(xiàn)在千赫茲范圍內(nèi)較靈敏的磁場探測。利用腔衰蕩法和掃頻法分別測試了兩個(gè)諧振腔的光學(xué)品質(zhì)因數(shù)。搭建穩(wěn)頻系統(tǒng)，將激光器

6、輸出頻率穩(wěn)定在諧振腔的諧振頻率處。隨后，對所加工的諧振腔的磁場特性進(jìn)行測試，獲得千赫茲頻率范圍內(nèi)的磁場傳感精度。通過改變二氟化鈣光學(xué)腔在磁致伸縮介質(zhì)外的縱向位置和選取合適的磁致伸縮介質(zhì)高度來優(yōu)化回音壁模式諧振腔的機(jī)械模式，確定了改進(jìn)型諧振腔結(jié)構(gòu)參數(shù)。隨后在穩(wěn)頻系統(tǒng)中進(jìn)行磁場傳感實(shí)驗(yàn)測量改進(jìn)型諧振腔的磁場探測精度和頻率范圍，獲得了比未改進(jìn)前諧振腔更寬的頻率探測范圍。這兩個(gè)諧振腔在低頻范圍內(nèi)均獲得了比微腔更高的靈敏度，不必利用材料的非線性特