稀土离子在卷曲微谐振腔中的光学性质和调制研究

Self-rolled nanotechnology is one important method for fabrication of optical micro-cavities from in-organic functional nano-membrane on polymer layer. In present project, rare earth ions with luminescent properties will be intentionally introduced into the walls of self-rolled oxide tubular optical micro-cavities with sub-wavelength wall thickness. These tubular optical micro-cavities thus possess both the luminescent properties of rare earth ions and the optical resonance from tubular geometries, making them capable of emitting visible light in desired region with modulation for practical applications. Both scattering theory and finite-difference time-domain approaches will be used in the theoretical study to get deep insight of the optical properties of the micro-cavities. The principles of optical modulation in these self-rolled up micro-cavities will be obtained on the basis of the combination of both experimental and theoretical investigations, and the possibility of constructing new optical components like detector and micro-laser will be explored. The output of this project may pave the way for the future realization of low cost, low threshold, and multi-color laser micro-devices working in visible range.

基于有机聚合物牺牲层的卷曲技术已成为制备管状光学谐振腔的重要手段之一。本项目拟利用卷曲纳米技术，将具有特殊发光性质的稀土掺杂氧化物材料制备成管状光学谐振腔。该类自卷曲管状微腔兼具稀土离子可见光发射特性及光学谐振腔功能，在实现发射特定波长范围可见光的同时，通过控制谐振腔几何参数调制发射光波，使其在实际应用中更具优势。我们将综合利用Mie散射理论及时域有限元分析方法从理论角度进一步分析该类光学谐振腔的光学特性。本项目拟综合实验及理论研究结果，阐释调制该类光学谐振腔特性的一般规律，并进一步探索利用光学谐振腔的谐振及波导效应，构建微纳探测器和激光器的可能性。此项目的研究成果为实现低成本、低阈值、多色可见光发射微激光器及智能探测微器件研究提出新的研究思路。

为开发新型回音壁模式微谐振腔（whispering gallery modes，WGMs），本项目主要利用卷曲纳米技术，结合有效的表面修饰等方法，成功制备了几种功能的微管状光学谐振腔。在总结该领域前期研究工作的同时，利用氧化物纳米薄膜材料卷曲成直径从1微米到15微米的管状结构中都观察到回音壁光学谐振模式。利用具有易吸附脱附水分子的聚丙烯酸/聚乙烯亚胺（PAA/PEI）高分子层对自卷曲管状结构进行表面修饰，并有效的实现该类光学谐振腔针对环境湿度变化的测试。将基于回音壁模式的光学谐振腔环境湿度探测的灵敏度提高10倍，其灵敏度高达130 pm每湿度百分比（130 pm/RH%）。通过管壁上吸附的染料分子可以与管状结构的光学模式耦合，该类光学谐振腔能在光波谐振模式区域使染料分子拉曼信号将提高100倍以上。将理论模拟与实验设计结合，制备具有储流槽的管状光流体结构，其品质因子能达到3600，流体折射率探测的灵敏度390 nm/单位折射率（per refractive index unit，RIU），检测极限能达到10的-5次方 RIU量级。采用单晶GaN自卷曲纳米薄膜制备的自卷曲光学谐振腔在全可见光波段观察到光学谐振。相关研究都与理论分析模拟很好的吻合。依据文献报道的六棱柱ZnO回音壁模式单晶光学谐振微腔的研究，探索开展稀土离子掺杂β-NaYF4微六棱柱单晶颗粒光学特性研究。通过控制单晶合成条件，能有效的制备出颗粒大小、形貌可调的β-NaYF4单晶颗粒。通过自己搭建的微区荧光成像及光谱测试设备，开展了针对单个β-NaYF4微晶的上下转换发光特性的光谱分析并拍摄微区荧光照片。初步研究了高结晶度的多面体微晶结构对发光光谱及晶粒光场分布的调制效应。本研究将提供一种新的思路制备和调制光学谐振腔，并展示该结构在光学波段流体探测研究及可见光光谱调制研究的可行性，并为开发新型光学微器件研究奠定一定基础。