各向异性高Q固/液复合微泡微腔光机力学效应研究

With the development of high Q whispering gallery optical resonators, cavity optomechanics becomes an important research field and has achieved important breakthrough in quantum mechanics application, precise measurement and sensing. Up to now, almost all investigations are carried out with isotropic solid microcavities, only a few works were reported on solid/liquid hybrid cavities and crystal cavities. Here we propose studies on the optomechanical properties of a rarely explored but very important kind of microcavities (high Q optofluidic micro-bubble resonators). Based on previous background of expertise on micro-bubble resonators and liquid crystal optics, we would like to investigate the optomechanical coupling properties of solid/liquid hybrid microcavities, prepare liquid crystal/silica hybrid micro-bubble whispering gallery mode resonators, investigate and manipulate optomechanical properties of the novel anisotropic hybrid cavities by magnetic field, electric field and temperature, we will also investigate precise detection of nanoparticles in the optofluidic device. Our study will largely enrich the understanding of optomechanical properties of whispering gallery mode optical resonators and find new application fields for cavity optomechanics.

在过去10年伴随着高品质回音壁模式微谐振腔的发展，腔光机力学(cavity optomechanics)在量子力学应用、精密测量和传感方面取得重大突破。然而迄今为止几乎所有的回音壁微腔光机力学研究都集中在各向同性固体微腔中展开，只有少量工作涉及固/液复合微腔和晶体微腔。本项目注重于一种研究不多但有重要应用价值的高Q光微流微泡腔的光机力学效应研究。基于课题组在光微流微泡腔和液晶光学研究方面的优势，本项目将研究液体/固体复合微泡微腔的光场/机械场耦合效应；在此基础上构建向列相液晶填充石英玻璃微泡复合微腔，研究其机械振动模式与液晶性质（如各向异性声速、密度等）的关系，以及外场（电场、磁场和温度场）调控改变液晶状态（取向、向列相/液相）时光机耦合和机械振动模式的变化；并进行光微流微泡腔中纳米颗粒质量检测研究。研究结果将大大丰富对回音壁微腔光机力学效应的理解，为微腔光机力学的应用开拓新领域。

腔光机力学研究的是光学谐振腔中光学谐振模式与腔机械振动模式之间的耦合及由此产生的各种新效应。本项目提出对一种研究非常少但有重要应用价值的高Q光微流微泡微腔(简称OMBR) 的光机力学效应进行研究，系统研究不同液体填充的固/液复合微腔的光机力学效应，尤其是各向异性介质液晶填充的OMBR微腔在外场作用下光机耦合性质，并探索OMBR光机力学效应在生化领域精密测量方面的新应用。经过四年的努力，课题组建立起OMBR光机力学效应研究的实验平台和机械模式计算仿真平台；深入系统研究了OMBR中的光机耦合机理和选择性激发，结合仿真计算分析了轴向高阶光学模式的光机耦合性质。成功制备了定向液晶填充的各向异性OMBR，实验证实了因液晶的各向异性声速产生了不同的光机械振动模式，实现了温度场和外磁场对微腔机械模式的频率调控和磁致弗式相变。发展了PDH技术对两个相互耦合的光学模式进行快速解调和耦合强度确定，利用双模耦合实现光弹簧效应的增强或抑制；基于OMBR光弹簧效应获得一个数量级增强的温度传感。提出了一种基于OMBR光机力学效应的流体质量密度传感的新方法，相比其它微腔传感灵敏度相同，样品消耗低三个数量级。研究了光机力学效应相关的新现象，包括发现了光机耦合参与的光学微腔三倍频模式干涉新现象；发现了OMBR光机械系统中双模激射的弱耦合效应并从理论上进行了深入的分析；发展了多通道融合PDMS基光微流芯片，获得层流且周期可控的微流折射率调制光栅，为多液体层流的OMBR光机力学研究奠定了基础。以上研究圆满完成了预定的任务，深刻理解了一类新的各向异性固/液复合光学微腔中的光机耦合效应，对光机力学的研究内涵和可能的应用提供了若干重要的新方向，OMBR作为一种高品质微腔光学的研究基本平台，其作用也得到更充分的体现。项目发表标注SCI文章8篇。在项目开展期间，有9名博士生和2名硕士生参与项目，完成博士毕业论文6篇，硕士毕业论文2篇。