一种新型耦合方式高Q光子分子的制备及其腔光力学应用

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近些年来,光学微腔由于其较小的模式体积和较高的光学品质因子等优点,吸引着越来越多的研究兴趣,在众多领域里成为一个重要的研究热点,包括基础科学及应用领域的研究,例如腔光力学、腔量子电动力学、非线性光学、低阈值微型激光器、传感器等领域。其中腔光力学主要研究在光学微腔中,电磁波与微小力学运动的相互作用。在这之中,氧化硅回音壁模式光学微腔因其优异的光学和力学品质成为一个重要的研究平台,并且已经在这个平台上利用单个微腔实现了声子振荡、光力诱导透明、冷却等重要工作。在本论文中,主要阐述了我们利用两个耦合高品质因子回音壁模式氧化硅光学微腔形成的光子分子结构,并对其进行腔光力学方向的应用研究,主要包括声子激光和高频声子激光。在第一部分中,我们提出并实现了一种新的双腔耦合方式,即一个细柱子微环芯样品和一个倒扣的角上微环芯样品相互耦合。这种双腔耦合形成的两个超模类似分子中的两个能级,故又可称之为光子分子。首先描述了双腔的制备,包括标准的光刻工艺制备传统微环芯腔的主要步骤和因实验样品要求所需的其他一些特殊步骤。之后进行样品测量,我们制备出的细柱子微环芯腔其本征光学品质因子为9.7×107,并有11.2 MHz的本征模式劈裂,对应的损耗率κ1为13.2 MHz。角上微环芯腔的本征光学品质因子为9.3×107,并有7.6 MHz的本征模式劈裂,对应的损耗率K2为9.6 MHz。测得细柱子微环芯腔的径向呼吸模的力学频率为57.49 MHz,我们的光子分子系统符合可分辨边带K1+K2<Ωm的条件,同时也测得细柱子微环芯腔在真空中的力学品质因子高达9000。最后,进行光子分子的耦合我们利用获得的高品质因子光子分子结构,实现了阈值为1.3“W的声子激光,这比前人工作的阈值低了5倍之多,并通过示波器信号和频谱仪信号,两种不同方式相互印证了我们所获得的声子激光。在第二部分中,我们尝试制备出高频的WGM微腔,并使用和第一部分相同的光子分子结构来获得高频的声子激光。目前已成功制备出了径向呼吸模频率为294 MHz的微球腔,其直径为12.3 μm,并观测到单个微腔的振荡。测得其光学品质因子为1.48×107,并有48.8 MHz的散射模式劈裂,因此我们制备出的高频微球腔仍然满足可分辨边带的条件。高频的光子分子结构和高频声子激光的实现有待后续实验开展。
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