稀土離子在捲曲微諧振腔中的光學性質和調製研究

《稀土離子在捲曲微諧振腔中的光學性質和調製研究》是依託復旦大學，由王嬌擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：稀土離子在捲曲微諧振腔中的光學性質和調製研究
• 依託單位：復旦大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王嬌

項目摘要

基於有機聚合物犧牲層的捲曲技術已成為製備管狀光學諧振腔的重要手段之一。本項目擬利用捲曲納米技術，將具有特殊發光性質的稀土摻雜氧化物材料製備成管狀光學諧振腔。該類自捲曲管狀微腔兼具稀土離子可見光發射特性及光學諧振腔功能，在實現發射特定波長範圍可見光的同時，通過控制諧振腔幾何參數調製發射光波，使其在實際套用中更具優勢。我們將綜合利用Mie散射理論及時域有限元分析方法從理論角度進一步分析該類光學諧振腔的光學特性。本項目擬綜合實驗及理論研究結果，闡釋調製該類光學諧振腔特性的一般規律，並進一步探索利用光學諧振腔的諧振及波導效應，構建微納探測器和雷射器的可能性。此項目的研究成果為實現低成本、低閾值、多色可見光發射微雷射器及智慧型探測微器件研究提出新的研究思路。

結題摘要

為開發新型回音壁模式微諧振腔（whispering gallery modes，WGMs），本項目主要利用捲曲納米技術，結合有效的表面修飾等方法，成功製備了幾種功能的微管狀光學諧振腔。在總結該領域前期研究工作的同時，利用氧化物納米薄膜材料捲曲成直徑從1微米到15微米的管狀結構中都觀察到回音壁光學諧振模式。利用具有易吸附脫附水分子的聚丙烯酸/聚乙烯亞胺（PAA/PEI）高分子層對自捲曲管狀結構進行表面修飾，並有效的實現該類光學諧振腔針對環境濕度變化的測試。將基於回音壁模式的光學諧振腔環境濕度探測的靈敏度提高10倍，其靈敏度高達130 pm每濕度百分比（130 pm/RH%）。通過管壁上吸附的染料分子可以與管狀結構的光學模式耦合，該類光學諧振腔能在光波諧振模式區域使染料分子拉曼信號將提高100倍以上。將理論模擬與實驗設計結合，製備具有儲流槽的管狀光流體結構，其品質因子能達到3600，流體折射率探測的靈敏度390 nm/單位折射率（per refractive index unit，RIU），檢測極限能達到10的-5次方 RIU量級。採用單晶GaN自捲曲納米薄膜製備的自捲曲光學諧振腔在全可見光波段觀察到光學諧振。相關研究都與理論分析模擬很好的吻合。依據文獻報導的六稜柱ZnO回音壁模式單晶光學諧振微腔的研究，探索開展稀土離子摻雜β-NaYF4微六稜柱單晶顆粒光學特性研究。通過控制單晶合成條件，能有效的製備出顆粒大小、形貌可調的β-NaYF4單晶顆粒。通過自己搭建的微區螢光成像及光譜測試設備，開展了針對單個β-NaYF4微晶的上下轉換髮光特性的光譜分析並拍攝微區螢光照片。初步研究了高結晶度的多面體微晶結構對發光光譜及晶粒光場分布的調製效應。本研究將提供一種新的思路製備和調製光學諧振腔，並展示該結構在光學波段流體探測研究及可見光光譜調製研究的可行性，並為開發新型光學微器件研究奠定一定基礎。