可调谐各向异性圆形光学微腔的模式特性分析与实验研究

各向异性圆形光学微腔是指微腔材料或者背景介质具有电各向异性的圆形光学微腔。本项目拟采用改进的时域有限差分算法，全面分析这种微腔的频谱和模式特性，研究其电各向异性的调谐机制。在实验上，除了采用双折射光学晶体制作微腔材料具有电各向异性的圆形光学微腔、测试其相关性能之外，利用液晶的电控双折射效应，制作出频谱和模式特性能够通过外加电压调谐的各向异性圆形光学微腔，为可调谐微腔器件的实用化奠定技术基础。.各向异性圆形微腔中存在回音壁模式，模式体积小，品质因子高，结构简单在工艺上便于实现，具有方向性发射，其自由光谱范围更大而易于单模工作，性能可通过外加电压进行精确而快速地调谐。所有这些特点使得各向异性微腔在可调谐的低阈值微型激光器、滤波器以及传感器等领域有巨大的应用潜力。

各向异性圆形光学微腔是指微腔材料或者背景介质具有电各向异性的圆形光学微腔。本项目采用改进的时域有限差分(FDTD)算法，全面分析了这种微腔的频谱和模式特性，研究其电各向异性的调谐机制，发现该微腔存在回音壁模式（WGM），模式体积小，品质因子高，结构简单在工艺上便于实现，具有方向性发射，其自由光谱范围更大而易于单模工作，性能可通过外加电压进行精确而快速地调谐；在实验上，制备了两种结构的液晶微腔，并测试了其部分性能。.以下为具体研究内容和成果：. 1、利用基于FDTD算法的数值模拟对腔体介质具有电各向异性的圆柱形微腔的模式特性进行了详细研究，发现该微腔具有明显的方向性出射；而腔体介质的电各向异性对高阶径向模式表现出了抑制作用，使得该微腔较各向同性圆形微腔更容易实现单模工作。. 2、从麦克斯韦方程组出发，严格推导出了能够吸收各向异性介质中外向行波的完全匹配层（PML）吸收边界条件，即对传统PML技术做了扩展，完善了各向异性微腔的数值平台；利用此平台建立了背景介质具有电各向异性的圆柱形微腔的数值模型，分析了其模式特性，并发现此结构的微腔也可通过改变背景介质的电各向异性而加以调谐。. 3、通过研究WGM电磁场分布，为可调谐微腔的电场施加方式提供指导。. 4、制备出两种结构的微腔，包括液晶灌注毛细管所形成的微腔和光纤悬吊液晶滴微腔，并在这两种微腔中，采用透镜强聚焦直接耦合方式激发了WGM，但未在频谱中观察到WGM对应的谐振峰。采用光纤锥耦合方式，在光纤悬吊液晶滴微腔中不仅观测到了激发的WGM，而且成功测量出了其品质因子（Q值）为10^4至10^5，但是由于该液晶微腔呈液态无稳固形状，未能成功进行调谐实验。. 上述对各向异性圆形光学微腔的模式特性与调谐机制的数值分析和液晶微腔的实验制备与测试研究，对于进一步开发其在可调谐的低阈值微型激光器、滤波器以及传感器等领域的应用潜力有着重要意义。