耦合光微流微腔内奇点效应的外场调控机制研究

Some unique physical phenomenon will occur near the exceptional point in the coupled optical resonators. It arouse extensive interest in both fundamental research and practical applications. This project will combine optofluidic ring resonator (ORR) filled with the liquid crystal or magnetic field to realize the electrically or magnetically tunable coupled optical resonators. Through external field control to operate coupled resonators encircle the exceptional point, on the one hand, this project will systematically study the relationship between the optical modes inside the resonators and the external field. On the other hand, based on the exceptional point effect it develops new photoelectric devices: 2μm single frequency laser and ultrasensitive electric field or magnetic field sensors. External field control technology could meet the current needs of the fast and accurate tuning capability of photoelectric device. It also provides a wide range of precise parameter space for studying the exceptional effect in the coupled optical resonators. It may open a door to novel method to connect the light inside the resonator with the external electric or magnetic flied, which is of great significance for fundamental research and practical applications.

耦合光学微腔中的奇点效应具有奇特的物理现象，它在基础理论以及实际应用方面都具有极高的研究价值。本项目提出以光微流微腔为平台，借助对外界电磁场响应的液体材料建立外场可控的耦合微腔系统。通过外场调控手段使耦合腔运作在奇点附近，一方面系统地研究奇点附近耦合腔内光学模式的特性随外场的变化关系，另一方面基于奇点效应开发新型光电器件：2微米单频激光器以及超灵敏电场或磁场传感器。项目提出的外场调控技术满足了当前对具有快速、精确调谐能力的光电器件的需求，同时也为研究耦合光学微腔内奇点效应提供了大范围精确的参数空间。本项目开辟了全新的用于联系外界电磁场与微腔内激光光场的技术手段，具有重要的基础研究意义和实际应用价值。

光学回音壁模式（WGM）谐振腔拥有极高的品质因子（Q值）以及小尺寸等优点，近年来在多个领域取得了广泛的研究和应用。WGM光学微腔的极窄模式线宽可应用在光纤激光器内纵模选择以及锁定激光频率，实现超窄线宽单频激光器。同时基于WGM光学微腔极高的内建场强，使其成为研究光学非线性现象的极佳平台。本项目从基于光学WGM微腔的单频激光器、奇点效应超灵敏度传感器等方面开展研究，并取得了一系列研究成果。（1）基于高Q值石英微腔实现了2微米波段单频光纤激光器，振荡级输出功率可高达瓦量级，线宽约15kHz，比目前报道的同类型单频光纤激光器输出功率高出近2个数量级，达到国际先进水平。同时提出基于微腔内Fano共振的单频光纤激光器，该种激光器可有效地减小因微腔引入的插入损耗，最终获得的激光斜效率仅降低1.4%。（2）本项目采用高Q值氮化硅双环耦合微环谐振腔作为窄带反馈元件实现对半导体激光器的模式锁定，形成激光腔内单纵模振荡，同时通过微环局部温度的控制，实现对激光器出射波长的调谐功能，调谐范围约20nm。实现了芯片式单频可调激光器。（3）在光纤环形腔内实现了一种基于奇点（EP）灵敏度增强传感器。基于磁光隔离器，可以打破光纤环形腔的互易性，引入两种反向传播模式之间的往返损耗差异，从而使传感器在EP下工作。为了解决通常接近EP的小分裂强度，通过一段泵浦EDF来窄化光纤模式的线宽用以分别微弱的劈裂信号。分别在EP光纤腔内实现了位移与温度传感器， EP附近区域的灵敏度显著提高，是传统互易腔的三倍。（4）本工作利用小工具抛光加工方法制备出具有极高Q值的碟片状MgF2晶体微腔。通过调整拉锥光纤与微腔的耦合位置来优化耦合过程，最终实验测得Q值超过109。同时利用该晶体微腔实现了超窄线宽激光输出，获得了激光瞬时线宽~1Hz量级。