复合结构高Q光学微谐振腔的构建与光学特性研究

高Q回廊耳语模式光学微腔可用来制作低阈值激光器及光学传感器件等，已被广泛研究。本项目将研究新型复合结构高Q光学微腔的构建及其光学特性。这里复合结构微腔指复合腔微腔激光器及介质/金属纳米材料构成的光学微腔。利用复合腔结构进行选模，可获得激光单纵模输出特性。而介质/金属纳米材料构建的复合结构光学微腔，可利用介质微腔高Q值和在金属纳米材料激发表面等离子体激元波的局域场增强效应，获得增强的方向性激光输出。本课题拟采用溶胶-凝胶技术制备高Q有机/无机复合材料光学微环或微盘；通过两个或多个不同尺寸光学微腔耦合获得高多模抑制比的方向性单频激光出射；通过稀土离子掺杂或覆盖ZnO薄膜获得特殊波段(特别是紫外波段)的单频激射；利用材料的热光效应或光致异构特性实现激光输出频率的调谐；构建介质/金属复合结构微腔，获得增强的方向性激光输出。本项目的实施将发展一类新型的光学微谐振腔构型，拓展光学微腔的应用范围。

回音壁模式光学微腔因其具有超高品质因子、小的模式体积受到广泛关注，在超低阈值激光、超高灵敏光学传感、弱光非线性光学等领域有重要的应用前景。本项目旨在通过构建多介质腔耦合微腔、介质/金属纳米材料复合结构微腔等高Q 光学微腔，获得简单结构微腔所不能产生的新颖光学特性，在单频方向性激光产生等方面展示复合微腔的特殊作用。通过本项目研究，我们构建了多种不同结构的复合微腔，在单频方向性紫外激光出射、高灵敏度生物传感、HIV病毒检测、弱光光开关、单纳米颗粒检测等方面取得系列性的研究结果。主要结果有，建立了用于耦合微腔激光模式特性研究的理论模型，研究了多介质微腔耦合结构中激光的阈值和调谐特性；制备了双腔、三腔、四腔耦合的微腔结构，获得了方向性出射的单频激光输出，研究表明多介质腔耦合的微腔结构可有效提高单频激光的边模抑制比；通过制备激光染料微流耦合微腔和在耦合微腔上覆盖ZnO薄膜，获得了波长分别为387 nm和385 nm的紫外单频激光输出；提出并实现了在双腔耦合微腔结构中利用耦合微腔激光包络移动进行传感的新方式，实验获得了5930 nm/RIU的传感灵敏度，与理论计算预计一致，高出单腔微腔传感器理论极限一到两个量级；实现了低浓度生物分子的探测，艾滋病病毒HIV的等噪声探测极限可达140 fg/ml，比传统的ELISA低两个量级；合成了金纳米颗粒和金纳米棒并制备出高Q介质/金属纳米颗粒复合结构微腔，实现了最低开关功率为0.25 mW/mm2的全光开关；制备了金纳米棒/光微流微瓶复合微腔，成功测量到半径为50 nm的单个聚苯乙烯小球颗粒，与未加金纳米棒相比，灵敏度提高了16倍；构建了介质/金属薄膜复合微腔，观察到了外腔类介质模式和内腔表面等离激元模式之间的强耦合现象。通过该项目，发表SCI文章11篇；在国际会议上报告13次，其中邀请报告9次；培养博士生、硕士生11名，其中毕业和即将毕业8人。