回音壁模式微波谐振腔温度模拟研究与设计
回音壁模式光学微腔磁传感matlab数据处理
回音壁模式光学微腔磁传感1. 引言光学微腔是一种能够在其内部存储和增强光的器件,具有高品质因子和小模式体积的特点。
回音壁模式光学微腔是一种常见的光学微腔结构,其内部的光可以在腔壁上来回反射,形成驻波模式。
这种结构在传感、通信等领域具有重要应用价值。
本文将介绍回音壁模式光学微腔磁传感的相关内容,并使用Matlab进行数据处理。
首先,我们将介绍回音壁模式光学微腔的基本原理和特点。
然后,我们将详细讨论如何利用该结构实现磁传感,并给出相应的数据处理方法。
2. 回音壁模式光学微腔基本原理回音壁模式光学微腔是一种采用全反射原理工作的器件。
其结构通常由两个平行的反射面组成,其中一个反射面上有一定数量的高反射率点缀物(通常是周期性排列的)。
当入射光进入该结构时,会在高反射率点缀物上发生多次反射,形成回音壁模式。
这种模式可以使光在微腔内部长时间存留,并与微腔中的样品相互作用。
回音壁模式光学微腔的特点包括高品质因子、小模式体积和高灵敏度。
高品质因子意味着光在微腔中的寿命长,能够增强样品与光的相互作用。
小模式体积可以使微腔更加紧凑,便于集成化和实际应用。
高灵敏度是由于回音壁模式对微腔内部折射率变化非常敏感,可以用来检测样品的性质和环境参数。
3. 回音壁模式光学微腔磁传感原理回音壁模式光学微腔磁传感是一种利用微腔对外界磁场变化的响应进行测量的方法。
当外界磁场改变时,会引起样品中磁性粒子的运动和重新排列,从而导致样品折射率发生变化。
这种折射率变化将影响到回音壁模式中光的传播特性,进而改变微腔的透射光谱。
具体来说,当微腔中的光与样品相互作用时,会发生透射和反射。
通过检测透射光谱的变化,可以获取到微腔内部折射率的变化信息。
而这种折射率的变化与外界磁场强度之间存在一定的关系,通过合适的数据处理方法可以实现对外界磁场的测量。
4. 数据处理方法在回音壁模式光学微腔磁传感中,数据处理是非常重要的一步。
下面将介绍一种常用的数据处理方法。
《高Q值回音壁模式光学微腔研究与实现》范文
《高Q值回音壁模式光学微腔研究与实现》篇一一、引言随着科技的不断进步,光学微腔作为光子学领域的重要研究课题,在光子集成、光通信、光子计算机等领域有着广泛的应用前景。
其中,回音壁模式光学微腔(Whispering Gallery Mode Optical Microcavity,简称WGM微腔)以其高Q值、小体积、高稳定性等优点,在光子存储、激光器、光学传感器等方面表现出极大的潜力。
本文将详细介绍高Q值回音壁模式光学微腔的研究与实现过程。
二、高Q值回音壁模式光学微腔的基本原理回音壁模式光学微腔是一种具有高反射特性的微型光学谐振腔。
其基本原理是利用特定形状的微腔结构,使光在微腔内部发生多次反射和干涉,形成稳定的回音壁模式。
高Q值则是衡量微腔性能的重要指标,Q值越高,表示微腔的能量损耗越小,谐振效果越好。
三、高Q值回音壁模式光学微腔的设计与制备为了实现高Q值回音壁模式光学微腔,需要从设计、制备两方面入手。
首先,设计阶段需要选取合适的材料和结构,如使用高折射率差材料制备的球形或环形微腔结构。
其次,制备过程中需要严格控制工艺参数,如热处理温度、掺杂浓度等,以保证微腔的尺寸精度和表面质量。
此外,还需要对微腔进行优化设计,如减小散射损耗、提高光场与物质相互作用等。
四、高Q值回音壁模式光学微腔的实验研究实验部分主要关注如何通过实验手段验证微腔的高Q值特性。
首先,需要搭建一套光学测试系统,包括光源、光谱仪、光功率计等设备。
然后,通过实验测量微腔的谐振频率和Q值,分析其性能特点。
此外,还需要对微腔进行稳定性测试和寿命测试,以评估其在实际应用中的表现。
五、高Q值回音壁模式光学微腔的应用实现高Q值回音壁模式光学微腔在光子存储、激光器、光学传感器等领域有着广泛的应用前景。
在光子存储方面,可以利用其高Q值特性实现光子存储和传输;在激光器方面,可以利用其谐振特性实现低阈值激光输出;在光学传感器方面,可以利用其高灵敏度实现对物理量(如温度、压力等)的精确测量。
可调谐的氧化硅回音壁模式光学微腔应用研究
摘要回音壁模式光学微腔因其超高品质因子、小模式体积等特点在光学领域得到越来越多的研究。
它的品质因子超越了传统光学谐振腔数个量级,极大的增强了光与物质的相互作用,为光子学器件研究提供了一个理想的平台。
而在它的诸多应用中,可调谐性则是一项重要的功能。
本文围绕氧化硅微瓶腔和微球腔,介绍了回音壁模式微腔的基本理论、耦合特性及制备方法,研究了其在可调谐窄线宽光纤激光器和可调谐偏振分束器中的应用。
主要内容如下:(1)介绍了回音壁模式光学微腔特别是可调谐微腔的研究背景。
对氧化硅微球腔和微瓶腔的光场分布进行了计算分析,并引入了回音壁模式微腔的耦合理论和背向散射。
(2)提出了基于微瓶腔的全光可调的窄线宽光纤激光器。
给出了可调谐微瓶腔的制备和测试方法,利用背向散射和氧化铁颗粒抑制其高阶模式,并将其应用于光纤激光器环路中,实现了2.7 nm的调谐范围和500 Hz的超窄线宽激光。
(3) 利用微球腔上传下载结构,提出了基于氧化铁纳米颗粒嵌入微球的全光可调偏振分束器。
在对微球腔的偏振相关特性进行理论分析的基础上,得到了分离的正交偏振光,其隔离度超过20 dB,且调谐范围达5.5 nm。
关键词:光学微腔回音壁模式全光调谐窄线宽光纤激光器偏振分束器AbstractWhispering-gallery-mode optical microcavities have been paid more and more attention in optical research field due to their ultra-high quality factors, small mode volumes and easy preparation. Their quality factors surpass the traditional optical cavity several orders of magnitude, greatly enhancing the interaction between light and matter, providing a new platform for photonics device research. In many of its applications, tunability is an important performance parameter.In this paper, we introduce the mircobottle cavity and microsphere cavity, including their basic theory, coupling characteristics and fabrication. And the application in tunable ultra-narrow linewidth laser and tunable polarization beam splitter are introduced.The main content of the thesis includes:(1)The research background of whispering gallery mode is introduced, and research highlights on tunable microcavity and its application are summarized. The optical field distribution of the microsphere cavity and the microbottle cavity is analyzed. And the coupling theory and backscattering of the whispering gallery mode microcavity are introduced.(2) A narrow linewidth laser based on microbubble-based all-optical tuning is proposed. The preparation and testing methods of tunable micro-bottle cavity are introduced and applied to the fiber laser loop to achieve a tuning range of 2.7 nm and an ultra-narrow linewidth laser of 500 Hz.(3) An all-optically tuned polarization beam splitter based on magnetic fluid microspheres is proposed. Based on the theoretical analysis of the polarization-related properties of the microsphere cavity, using the add-drop model constructed by the combination of microfiber and microsphere cavity, the separated orthogonally polarized beams are obtained in the device. The separation ratio exceeds 20dB, and the all-optical tuning range reaches 5.5 nm.Key words: Optical microcavities Whispering gallery modes All-optical tuning Narrow-linewidth fiber lasers Polarization beam splitters目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论1.1 回音壁模式微腔及其应用 (1)1.2 氧化硅回音壁模式微腔调谐方案 (4)1.3本论文主要内容及研究意义 (8)2 回音壁模式微腔理论基础2.1 微腔理论模型 (9)2.2 微腔参数分析 (12)2.3 微腔耦合理论 (14)2.4 本章小结 (20)3 基于氧化硅微瓶腔的可调谐窄线宽光纤激光器3.1 可调谐微瓶腔的制备 (22)3.2 可调谐微瓶腔的性能测试 (25)3.3 可调谐窄线宽光纤激光器 (28)3.4 激光线宽测试 (30)3.5 本章小结 (32)4 基于氧化硅微球腔的可调谐偏振分束器4.1 可调谐偏振分束器基本原理 (34)4.2 氧化铁纳米颗粒嵌入的微球腔制备 (36)4.3 器件性能测试 (37)4.4 本章小结 (42)5 总结与展望 (43)致谢 (45)参考文献 (46)附录 1 攻读硕士学位期间发表论文目录 (50)附录 2 论文中缩略词含义 (51)1 绪论随着4G到5G通信技术的发展,通信容量呈爆炸式增长,光纤通信在整个通信链路中占比越来越高。
《高Q值回音壁模式光学微腔研究与实现》
《高Q值回音壁模式光学微腔研究与实现》篇一一、引言光学微腔作为一种微型化、高度集成的光子器件,近年来在光通信、光子集成电路、量子信息等领域得到了广泛的应用。
其中,回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)光学微腔因具有高Q值、小模体积等优点,成为了一个重要的研究方向。
本文将就高Q值回音壁模式光学微腔的研究与实现进行详细的探讨。
二、回音壁模式光学微腔概述回音壁模式光学微腔是一种基于微米级尺寸的光学谐振腔,其特点在于光在微腔内部进行多次反射,形成类似于回音壁的传播模式。
这种模式的光学微腔具有高Q值(品质因数)、小模体积等优点,使得其在光通信、光子集成电路、量子信息等领域具有广泛的应用前景。
三、高Q值回音壁模式光学微腔的研究1. 制备工艺研究高Q值回音壁模式光学微腔的制备需要采用先进的微纳加工技术。
目前,制备方法主要包括激光直写法、电子束刻蚀法、飞秒激光加工法等。
这些方法各有优缺点,如激光直写法制备工艺简单,但精度较低;电子束刻蚀法精度高,但制备成本较高。
因此,在实际应用中需要根据具体需求选择合适的制备方法。
2. 理论模型研究为了更好地理解回音壁模式光学微腔的特性和优化其性能,需要建立相应的理论模型。
目前,常用的理论模型包括耦合模理论、有限元法等。
这些模型可以有效地描述光在微腔内部的传播过程,为优化微腔结构提供理论依据。
3. 性能优化研究为了提高回音壁模式光学微腔的Q值,需要对其进行性能优化。
主要包括减小光散射损耗、提高材料品质、优化微腔结构等方面。
此外,还可以通过引入新材料、新结构等方法进一步提高Q值。
四、高Q值回音壁模式光学微腔的实现1. 实验装置与材料选择实验中需要选择合适的材料和实验装置。
常用的材料包括二氧化硅、氮化硅等高透光性材料。
实验装置主要包括激光器、光谱仪、显微镜等设备。
2. 实验过程与结果分析在实验过程中,首先需要制备出回音壁模式光学微腔。
然后通过调整微腔结构、材料等参数,优化其性能。
光学微腔的原理及制作研究
科研实践文献综述学院物理与信息工程学院专业应用物理学学号*********姓名指导教师题目光学微腔的原理及制作研究光学微腔的原理及制作研究一、光学微腔发展背景光学微腔是一种尺寸在微米量级或者亚微米量级的光学谐振腔,它利用在折射率不连续的界面上的反射、全反射、散射或者衍射等效应,将光限制在一个很小的区域。
基于回音壁模式( Whispering Gallery Mode,简称WGM[1])的光学微腔成为了近年来研究的热点。
首先它作为一种尺寸可与光波长相比拟的光学谐振腔,使得凝聚态中的一些量子电动力学现象得以研究[2];其次作为一种低阈值激光微腔,在集成光学、信息光学等诸多应用领域有很好的应用前景。
目前光学介质微腔的形状也多种多样,主要有微球腔[3]、微盘腔[4]、微环腔[5]、微芯环腔[6]几种。
本文主要总结了近年来国内外光学微腔的一些研究现状及成果,并分析了未来的发展趋势。
目前信息与通信技术正以前所未有的速度发展,根据摩尔定律的预测,大约每18个月处理器的速度和内存的大小就会翻倍,而且这个速度还将持续十年。
如果光学能够在信息与通信领域发挥重大的作用,无疑它将以飞快的速度发展。
全光信号处理技术,由于不需要进行光-电-光转换,逐渐成为全光网络系统中前景广阔的领域之一。
对于全光网络设想的实现更需要一些体积更小,结构简单,性能较稳定的光学器件。
光学谐振腔是一个重要的光学器件,它在光通讯器件、光纤传感等领域里得到了广泛的应用,同时也是激光器的重要组成部分。
所以具有高集成度的微纳米光学谐振腔器件必将成为一个研究的热点。
二、光学微腔的常用制备方法硅基二氧化硅回音壁模式光学微腔具有高品质因子和小模式体积,使得腔内有较高的光场能量密度。
微腔位于硅基之上,与成熟的硅加工工艺相兼容,制作工艺简单,且能够与光纤锥进行高效的耦合,具有可在硅片上单片集成的特点。
基于以上特点,回音壁模式微腔可以广泛应用于光纤通信无源器件、非线性光学、低阈值激光器以及腔量子电动力学方面的研究。
利用回音壁技术改善办公室声学环境的研究探讨
利用回音壁技术改善办公室声学环境的研究探讨随着办公室环境的不断变化和进步,声学环境的质量成为一个重要的关注点。
办公室是一个充满活力和创造力的地方,但是高噪声水平可能对员工的工作效率和健康产生负面影响。
因此,寻找一种有效的方法来改善办公室的声学环境是必要的。
回音壁技术就是一种被广泛研究和应用的方法,可以帮助减少噪音反射和提高声音品质。
回音壁技术利用声纹吸收材料,将声波转化为热能并将其吸收,从而减少在办公室内产生的回声和混响。
这种材料通常由多孔的聚合物制成,具有高度吸音性能。
当声音到达回音壁表面时,孔隙结构可以吸收部分声能,降低噪音反射和传播。
这种材料有能力吸收宽频范围内的声音,从而避免了声学问题的出现。
利用回音壁技术改善办公室声学环境具有以下几个优点。
首先,回音壁技术可以显著减少噪音反射。
在充满人声和设备声的办公室环境中,反射噪音会导致声音的混淆和不清晰。
通过安装回音壁材料,不仅可以降低室内噪音水平,还可以优化声学效果,提高语音的清晰度和可懂性。
这对于会议、电话交流和团队协作非常重要,有助于提高沟通效率和工作效果。
其次,回音壁技术还可以减少噪音传播。
在传统的办公室中,声音可以在各个房间之间传播,造成干扰和干扰。
通过在墙壁、天花板和地板上使用回音壁材料,可以有效减少声音传播,形成一个更加安静和专注的工作环境。
这对于需要专注和集中注意力的任务非常有益,为员工提供了更好的工作体验。
此外,回音壁技术也可以改善办公室的声音品质。
在没有适当声音吸收材料的环境中,声音往往会显得空洞、空旷或沉闷。
回音壁材料的使用能够平衡声波的反射和吸收,改善声音的分布和均匀度。
这对于音频会议、音乐播放和视频会议等多媒体应用非常重要,带来更加逼真和清晰的声音效果。
在实践中,应该充分考虑办公室的特定声学需求和现状。
根据办公室的大小、布局和使用情况选择合适的回音壁材料和安装位置。
通常,在墙壁、天花板和地板上使用回音壁材料可以实现最佳的声学效果。
光纤微球谐振腔回音壁模式光学特性的研究
b e e n b u i l t , a n d t h e o p t i mi z a t i o n d i r e c t i o n i s i l l u s t r a t e d . Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e a l i z a t i o n o f t h e wh i s —
摘
要: 从 麦 克 斯 韦 尔方 程 出 发 , 分 析 了介 质 微 球 谐 振 腔 支 持 的 回 音 壁 模 式 ( WGM) 分布 , 针 对 光 纤 微 球 谐 振
腔 这 种 实 现 回音 壁 模 式 的方 式 , 进行 了理论 研究 和通信 传输 实验 系统 的搭建 , 并 阐明 了优化 的方 向, 仿 真 结 果 表 明, 实 现 激 发 回音 壁 模 式 的耦 合 与 传 统 光 波 导 谐 振 腔 通 信 传 输 系 统 相 比 , 光 纤 微 球 谐 振 腔 的 回 音 壁 模 式 通 信 传 输
2 . Co l l e g e o f I n f o r ma t i o n S c i e n c e a nd Te c h n o l o g y, Ba ot o u Te a c h e r s ’Co l l e g e , Ba ot o u 0 1 4 0 3 0, Ch i n a )
第3 7 卷第4 期
2 0 1 5 年O 8 月
压
电
与
声
光
Vo 1 . 3 7 No . 4
A ug .2 01 5
PI EZ 0ELE CTRI 号 : 1 0 0 4 — 2 4 7 4 ( 2 0 1 5 ) 0 4 — 0 6 2 6 — 0 3
一种多孔道中空微结回音壁模式谐振腔及其制备方法[发明专利]
专利名称:一种多孔道中空微结回音壁模式谐振腔及其制备方法
专利类型:发明专利
发明人:董国平,欧阳天昶,康世亮,蔡振禄,邱建荣
申请号:CN201810695455.8
申请日:20180629
公开号:CN108899750A
公开日:
20181127
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本发明属于光学器件领域,公开了一种多孔道中空微结回音壁模式谐振腔及其制备方法。
用熔融拉丝法将多孔玻璃毛细管的中间部位拉制成外径为0.5~10μm的中空微纳纤维,然后通过微操作打结形成中空微结腔;通过毛细管力吸入或者外力注入的方式将液态增益介质注入到中空微结腔的纤维孔道中,然后与锥形光纤进行耦合,封装,得到所述多孔道中空微结回音壁模式谐振腔。
本发明制备工艺简单,制备得到的中空微结腔可以依靠毛细管力吸入或外力注入各种液态增益介质,所得多孔道中空微结回音壁模式谐振腔具有多个增益通道,可实现低阈值、高斜率效率、高功率回音壁激光输出。
申请人:华南理工大学
地址:510640 广东省广州市天河区五山路381号
国籍:CN
代理机构:广州市华学知识产权代理有限公司
代理人:罗啸秋
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《高Q值回音壁模式光学微腔研究与实现》范文
《高Q值回音壁模式光学微腔研究与实现》篇一一、引言随着光学技术的飞速发展,光学微腔作为一种重要的光子器件,在光通信、光子集成电路、量子信息等领域具有广泛的应用前景。
其中,回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)光学微腔因具有高Q值、小模式体积、低损耗等优点,受到了研究人员的广泛关注。
本文将介绍高Q值回音壁模式光学微腔的研究与实现,为光学微腔的进一步发展提供理论基础和实践经验。
二、光学微腔基本原理与回音壁模式概述光学微腔是一种用于控制光子运动和传播的微型结构。
其基本原理是通过在微米尺度的空间内形成光子禁闭,使光子在微腔内发生多次反射和干涉,从而实现光子的有效控制和利用。
回音壁模式是光学微腔中的一种特殊模式,其特点是在微腔的边缘处形成稳定的环形光路,使得光子在微腔内进行长时间的传播和循环。
三、高Q值回音壁模式光学微腔的设计与制备高Q值回音壁模式光学微腔的设计与制备是研究的关键环节。
首先,需要根据应用需求和实验条件,选择合适的材料和制备工艺。
目前,常用的制备材料包括二氧化硅、氮化硅等介质材料以及半导体材料等。
其次,需要设计合理的微腔结构,包括微腔的形状、尺寸、折射率等参数。
此外,还需要考虑微腔的表面粗糙度、散射损耗等因素对Q值的影响。
最后,通过精密的制备工艺,将设计好的微腔结构制备出来。
四、高Q值回音壁模式光学微腔的测试与分析制备好的高Q值回音壁模式光学微腔需要进行测试和分析。
首先,需要使用光学测试系统对微腔的光学性能进行测试,包括光谱测试、Q值测试等。
其次,需要对测试结果进行分析和比较,评估微腔的性能和可靠性。
此外,还需要对微腔的稳定性、重复性等性能进行测试和分析。
五、高Q值回音壁模式光学微腔的应用与实现高Q值回音壁模式光学微腔在光通信、光子集成电路、量子信息等领域具有广泛的应用前景。
其中,在光通信领域,可以用于实现高效率的光子传输和光子开关;在光子集成电路中,可以用于实现微型化、集成化的光子器件;在量子信息领域,可以用于实现量子纠缠、量子计算等量子信息处理过程。
利用回音壁技术实现环境声场模拟的研究进展
利用回音壁技术实现环境声场模拟的研究进展回音壁技术作为一种声学现象的应用,在环境声场模拟中具有广泛的研究和应用价值。
它通过利用声波的反射和干涉效应,可以在有限的空间内实现声场的模拟和重现。
在过去的几十年里,利用回音壁技术实现环境声场模拟的研究已经取得了许多重要进展。
回音壁技术的基本原理是将多个声源放置在一个封闭的空间中,通过调整声源的位置和参数,利用反射、散射和干涉等效应来模拟特定的环境声场。
通过对声源的位置、振幅、相位和频率进行精确控制,可以实现对声场的高度仿真。
这种技术在音乐演出、录音棚设计、声学实验室等领域有着广泛应用。
下面将介绍一些具体的研究进展,展示回音壁技术在环境声场模拟中的潜力和应用。
首先,研究人员在模拟室内声场方面取得了重要进展。
通过精确控制回音壁上的声源和麦克风的位置,以及声源的参数,可以实现模拟室内声场的各种声学效果。
例如,可以通过调整声源的振幅和相位差来模拟室内的混响效果,使得声音在空间中产生反射和干涉,达到增强音色和环境感的效果。
同时,研究人员还研究了声源布局和回音壁形状对声场模拟效果的影响,通过优化布局和形状,可以进一步提高声场模拟的准确性和逼真度。
其次,研究人员在模拟户外声场方面也取得了一些突破。
模拟户外声场的挑战在于环境复杂性和声波传播的非线性特性。
然而,利用回音壁技术可以有效地减少环境对声音的干扰,并实现对环境声场的高保真模拟。
研究人员通过优化声源布局、调整声源参数,并结合数学建模和信号处理等方法,成功地模拟了户外环境中的声场,例如城市街道、公园、海滩等。
这些研究成果对于音乐、电影、游戏等娱乐产业有着重要的应用前景。
此外,回音壁技术还被用于虚拟现实和增强现实领域的声场模拟。
通过将回音壁和虚拟现实技术相结合,可以创造出身临其境的音频体验。
研究人员已经设计出了一些基于回音壁技术的虚拟现实耳机,可以实现全景声的模拟和重现。
这种技术不仅可以提高虚拟现实的沉浸感,还可以为医疗、军事训练等领域提供更真实的模拟环境。
《高Q值回音壁模式光学微腔研究与实现》范文
《高Q值回音壁模式光学微腔研究与实现》篇一一、引言随着现代光学技术的飞速发展,光学微腔作为一种重要的光子器件,在光通信、光子集成电路、量子信息处理等领域具有广泛的应用前景。
其中,回音壁模式(Whispering Gallery Mode,简称WGM)光学微腔以其独特的光学特性引起了研究者的广泛关注。
高Q值(Quality Factor)的回音壁模式光学微腔因其能够有效地限制光场在微腔内进行长时间的循环传播,具有高灵敏度、高分辨率等优点,在生物传感、化学检测等领域具有重要应用价值。
本文旨在研究高Q值回音壁模式光学微腔的原理、设计及实现方法。
二、光学微腔的基本原理光学微腔是指具有特定的形状和尺寸的微小空间,能够将光场有效地限制在其中。
而回音壁模式是光学微腔中的一种主要模式,它具有较小的传播损耗和较长的循环传播时间。
在回音壁模式下,光场在微腔内部经过多次反射后仍然能够保持原有的状态,形成一个长时间的驻波。
这种模式的特性使得它非常适合用于光子集成和光学传感等应用。
三、高Q值回音壁模式光学微腔的设计与实现(一)设计原理高Q值回音壁模式光学微腔的设计主要依赖于微腔的形状、尺寸和材料等参数。
设计时需要考虑到微腔的几何形状、表面粗糙度、材料折射率等因素对光场传播的影响。
此外,还需要考虑到微腔的加工工艺和封装技术等因素。
(二)设计方法设计高Q值回音壁模式光学微腔的方法主要包括有限元法(FEM)、时域有限差分法(FDTD)等数值模拟方法。
这些方法可以通过模拟光场在微腔内的传播过程,得到微腔的Q值和模式分布等信息。
同时,还需要考虑到微腔的稳定性、可重复性等因素。
(三)实现方法实现高Q值回音壁模式光学微腔的方法主要包括加工工艺和封装技术等。
加工工艺主要包括激光加工、化学腐蚀等方法,这些方法可以制备出具有特定形状和尺寸的微腔结构。
而封装技术则包括光路设计、光路耦合等技术,用于将微腔与外部光路进行连接,实现光场的输入和输出。
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㊀2018年㊀第10期仪表技术与传感器Instrument㊀Technique㊀and㊀Sensor2018㊀No 10㊀基金项目:国家自然科学基金项目(51707092,61703202,51507078);江苏省博士后资助项目(1601110C)收稿日期:2017-09-20回音壁模式微波谐振腔温度模拟研究与设计于莉莉1,张广明1,卢锦川2,童文雨1(1.南京工业大学电气工程与控制科学学院,江苏南京㊀211816;2.广西机电职业技术学院,广西南宁㊀530007)㊀㊀摘要:回音壁模式微波谐振腔用于工业温度精密测量具有测量精度高㊁抗震性强㊁成本低等优点㊂该文对直径和高度均为12mm的圆柱状蓝宝石及其2倍尺寸的铜腔进行温度模拟仿真,通过对谐振频率和品质因数与温度的变化关系进行研究,并与实验结果进行对比,获得仿真结果的温度测量精度,为微波谐振腔测温仪的小型化和高精密研究提供参考,加快其在高精密工业测温领域的广泛应用㊂关键词:回音壁模式;微波谐振腔;温度模拟仿真;温度测量;工业精密测量;蓝宝石中图分类号:TH765㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1002-1841(2018)10-0113-04ResearchonTemperatureSimulationandDesignofWhisperingGalleryModeBasedMicrowaveResonatorYULi⁃li1,ZHANGGuang⁃ming1,LUJin⁃chuan2,TONGWen⁃yu1(1.CollegeofElectricalEngineeringandControlScience,NanjingTechUniversity,Nanjing211816,China;2.GuangxiTechnologicalCollegeofMachineryandElectricity,Nanning530007,China)Abstract:Whisperinggallerymode(WGM)microwaveresonatorwasusedinindustrialtemperaturemeasurementwhichhashighaccuracy,strongshockresistanceandlowcost.Temperaturesimulationswereinvestigatedinthepaperbasedonacylindricalsapphirewithdiameterandheightwereboth12mmandacoppercavitywhichhadadimensionoftwicethesapphire.Throughre⁃searchonresonantfrequencyandqualityfactorwithtemperaturechange,comparedwiththeexperimentalresults,thetemperaturemeasurementaccuracyofthesimulationresultswereobtained.Theworkprovidesreferenceforminiaturizationandhighprecisionresearchofmicrowaveresonantcavitythermometerandacceleratesitsextensiveapplicationinthefieldofhighprecisionindustrialtemperaturemeasurement.Keywords:Whisperinggallerymode;microwaveresonator;temperaturesimulation;temperaturemeasurement;industrialhighpre⁃cisionmeasurement;sapphire0㊀引言回音壁模式最早是由英国科学家LordRayleigh在英国的圣保罗大教堂研究声音的传播时发现的,他发现可以清晰地听见与自己相距很远的两个人在回廊的另外一端的窃窃私语,其原理是声波可以不断地在弯曲光滑的墙面反射而损耗很小,类似于光的全反射原理,所以声音可以沿着墙壁传播很远的距离,这个声音传播的模式也被称为 耳语回廊模式 ㊂由于其具有极高的品质因数和较小的模式体积,回音壁模式既可作为基础科学研究的平台,如量子光学㊁腔量子电动力学和量子信息处理等,又被广泛应用于诸多重要的纳微光子器件,如窄带滤波器㊁低阈值微型激光器和高灵敏生化传感器等[1]㊂回音壁模式的研究在开始很长的一段时间都是主要集中在光学领域的,后来随着科学家制备的物理器件尺寸越来越小,回音壁模式研究逐渐扩展到了微波领域[2-5]㊂基于回音壁模式的微波谐振器是将几何对称的介质安装在金属腔内部,微波信号通过天线在腔内耦合产生谐振,获得非常稳定并有着极高品质因数的模式的腔体,回音壁模式的电磁场能大都集中在腔体的中心介质上㊂从19世纪80年代开始,回音壁模式谐振腔被广泛应用于精密时钟振荡器和腔量子电动力学的研究㊂目前在微波领域,人们对于回音壁模式谐振腔的应用绝大部分局限在通过稳定温度等环境因素来实现稳频的研究上;而实际上,回音壁模式对于这些环境因素尤其是温度(中高温)是相当灵敏的㊂因此,本课题提出了对基于微波原理的回音壁模式谐振腔的研究来实现对温度的测量㊂通过几年对该领域的研究积累我们提出:将柱状或者球状蓝宝石固定在镀金的铜㊀㊀㊀㊀㊀114㊀InstrumentTechniqueandSensorOct 2018㊀腔内,由于蓝宝石介电常数对环境温度的灵敏性,而回音壁模式共振频率会随着介电常数的变化而变化,因此测得不同温度下的回音壁模式共振频率便可轻易地获得当时的环境温度㊂目前该新型温度计大都围绕实验验证展开,并未从理论上对回音壁模式微波谐振腔就温度测量的精度展开研究㊂2007年,美国国家计量研究院(NIST)的研究学者Strouse研制了由柱状铜腔和柱状蓝宝石组成的回音壁模式微波谐振腔,并对柱状蓝宝石的回音壁模式方位角向分量进行研究[10]㊂研究发现在1420GHz频段内,共存在5个回音壁模式,他们对这5个模式在0 100ħ温度范围内进行了实验㊂实验发现该谐振腔的测量精度可以达到ʃ0.02ħ,潜在测量不确定度小于10mK,达到了大多数电阻温度计的测量精度性能要求,证明了回音壁模式微波谐振腔用于温度测量的可行性㊂随后由Yu等分别在意大利国家计量研究院(INRIM)和美国国家计量研究院对柱状和球形蓝宝石进行了实验探索,发现这两个基于相同直径但不同形状蓝宝石的微波谐振腔在10 20GHz的范围内均存在3个回音壁模式,且对应谐振频率的大致范围也相等㊂以这3个模式为基准,在-40 85ħ范围内进行温度测量,获得的测量精度优于ʃ0.02ħ,再现性可达ʃ0.07ħ,0ħ时测得重复性为ʃ0.5mK,测温仪的潜在测量不确定度小于10mK㊂本文针对由直径与高度均为12mm的柱状蓝宝石与直径和高度均为蓝宝石2倍的铜腔构成的谐振腔就温度测量的精度以及可行性进行探索,并在-4085ħ温度范围内与实验结果进行响应对比㊂1㊀基于回音壁模式微波谐振腔测温的仿真1.1㊀测温原理该微波谐振腔温度计的主要构成之一是腔体的中心介质蓝宝石㊂蓝宝石为各向异性单晶,它具有极好的化学稳定性㊁热传导性好㊁耐高温㊁抗腐蚀㊁熔点高(2000ħ)等特点;其介电常数高,在常温下分别为11.5(ʊC轴)和9.3(ʅC轴),并且介电常数值随着温度的变化而变化(40 70ppm/K),使其成为回音壁模式谐振腔温度计的重要组成部分㊂由于回音壁模式电磁场分布的特性,温度计的频率-温度变化主要取决于中心介质蓝宝石,即蓝宝石介电常数随温度的变化,如式(1)所示:1f0㊃∂f∂T=-12pεʅα∗εʅ-12pε α∗εüþýïïïïïïïï介电常数变化-pDα∗D-phα∗hüþýïïï介质尺寸变化(1)式中:f0为谐振腔的谐振频率;pεʅ和pε 分别为垂直于和平行于C轴的能量填充因子;pD和ph分别为半径方向和轴向的能量填充因子;α∗εʅ和α∗ε 分别为介电常数在垂直与C轴和平行于C轴的温度系数;α∗D和α∗h分别为半径方向和轴向的温度膨胀系数㊂其中,由蓝宝石介电常数带来的频率变化是其尺寸变化带来的温度计频率变化的8 10倍,因此,在一定精度下,中心介质的尺寸变化可以忽略不计㊂蓝宝石作为温度计的核心为微波谐振腔温度计的实现创造了可能㊂基于Krupa等在文章[6]中给出了蓝宝石的介电常数随温度变化的曲线,本文作者对文中作者给出的蓝宝石介电常数随温度的变化曲线进行了拟合,相应的拟合方程如式(2)和式(3)所示(温度单位为K):εʅ=9 268+T{-2 4ˑ10-4+T[2 9ˑ10-6+㊀㊀T(-2 4ˑ10-9)]}(2)ε =11 347+T{-4 6ˑ10-4+T[5 9ˑ10-6+㊀㊀T(-5 6ˑ10-9)]}(3)由此可得在各个温度下的介电常数值大小分别如表1所示㊂表1㊀-40 85ħ范围内各温度下的蓝宝石介电常数值基于直径和高度均为12mm的圆柱状蓝宝石和直径与高度均为24mm的铜腔,如图1所示,用有限元仿真软件进行了模拟仿真计算[7]㊂获得模式的谐振频率㊁品质因数和电磁场分布等重要参数,基于上述结果确定出回音壁模式㊂选择方位角分量m大于3,且大部分电磁场能分布在蓝宝石上的模式㊂鉴于实验中所使用网络分析仪的工作频率范围为300kHz 20GHz,所以对模型的扫频范围也限定在20GHz以内㊂由于考虑损耗问题会显著降低仿真速度,尤其是当损耗较大时,计算可能不收敛且缓慢;因此,仿真均基于无损耗材料展开,因此品质因数远高于实际的品质因数值㊂经仿真计算发现,该回音壁模式微波谐振腔在10 20GHz内存在3个方位角分量m>3的回音壁模式,常温下分别位于12.42GHz(m=3,称为WGM3)㊁㊀㊀㊀㊀㊀第10期于莉莉等:回音壁模式微波谐振腔温度模拟研究与设计115㊀㊀图1㊀基于柱状蓝宝石的回音壁模式微波谐振腔仿真模型15.18GHz(m=4,称为WGM5)和17.91GHz(m=5,称为WGM5)附近,其中WGM5的电磁场能分布如图2所示(WGM3和WGM4电磁场分布与之类似)㊂图中红色表示电磁场能分布最强处㊂由此可见,回音壁模式的电磁场能大都分布在中心介质的外围边缘㊂图2WGM5的电磁场能分布图此外,分别在-40㊁-30㊁-20㊁10㊁0㊁5㊁15㊁25㊁50㊁75㊁85ħ共11个温度点分别进行计算,分别获得各温度下回音壁模式的谐振频率值㊂3个模式随温度的变化规律如图3 图5所示㊂谐振频率均随着温度的升高而线性降低,3个模式的变化曲线大致相同㊂基于线性拟合曲线的斜率不难得出,该3个模式的频率-温度灵敏度(Δf/ΔT)在-60 -70ppm/K之间变化㊂这与实验得出的该温度范围内的频率-温度灵敏度约为-50 -72ppm/K一致㊂最后,在该11个温度下分别求得无损耗情况时品质因数随温度的变化规律,结果如图6 图8所示,品质因数均随着环境温度的升高而升高㊂其中,WGM5看上去在温度超过50ħ后品质因数变化缓慢,实际上这是由于图8的纵坐标轴的主要单位远大于图6和图7而造成的㊂以此类推到回音壁模式微波谐振腔的整个测温领域,不难得出其在中高温时测量精度优于低温或者超低温,这也解释了该微波谐振腔在微波稳频领域被广泛研究的主要原因之一㊂图3㊀WGM3的谐振频率-温度变化仿真结果图4㊀WGM4的谐振频率-温度变化仿真结果图5㊀WGM5的谐振频率-温度变化仿真结果图6㊀WGM3的品质因数-温度变化仿真结果图7㊀WGM4的品质因数-温度变化仿真结果图8㊀WGM5的品质因数-温度变化仿真结果1.3㊀回音壁模式微波谐振腔仿真与实验结果比较基于上述仿真结果,将相同标称温度下的谐振频率随温度变化的实验结果与之对比,结果如图9 图11所示㊂由对比结果可知,理论和实验的谐振频率-温度变化率基本相同而截距稍有不同,而截距的变化可以通过温度标定来确定,且该值随着不同的谐振腔温度计而不同㊂结合图12不难看出,WGM4的理论和实验误差最小,3个回音壁模式的理论与实验误差变化率相同,WGM3和WGM5的理论与实验误差大小基本相同㊂图9㊀WGM3的谐振频率-温度变化仿真与实验结果对比图图10㊀WGM4的谐振频率-温度变化仿真与实验结果对比图2㊀结论本文对基于直径和长度均为12mm的柱状蓝宝石的回音壁模式微波谐振腔温度计在-40 85ħ温度范围内进行了研究㊂研究内容从理论仿真入手并与实验研究结果进行对比㊂分析研究了该回音壁模式微波谐振腔温度计的频率-温度变化规律㊁品质因数-温度变化规律并获得了各温度下3个回音壁模式的谐振频率值㊂通过与实验结果对比发现,基于此方图11㊀WGM5的谐振频率-温度变化仿真与实验结果对比图图12㊀3个回音壁模式在不同温度下的仿真与实验结果的频率变化率法的仿真计算与实验结果达到了较好的吻合,所以在回音壁模式微波谐振腔温度计的设计阶段,采用该仿真方法可以为该温度计的频率等重要参数的变化规律进行预测,为温度计设计提供良好的指导㊂此外,通过对回音壁模式的电磁场仿真,进一步验证了回音壁模式的电磁场能大都集中在中心介质的外围边缘上,与中心安装孔和固定螺丝无关或影响极小,保证了回音壁模式的测量精度㊂另外,理论研究的品质因数由于未考虑损耗,远大于实验值,但是已经足够用于锁定回音壁模式;品质因数随温度的变化规律也显示,理论上来说该种新型温度计在中高温段的测量精度较高㊂参考文献:[1]㊀ZYCHOWICZT,KRUPKAJ,TOBERME.Whisperinggal⁃lerymodesinhollowsphericaldielectricresonators[J].Jour⁃naloftheEuropeanCeramicSociety,2006,26(10-11):2193-2194.[2]㊀金虎,陆云,白晓淞.基于回音壁模式的球形光学微腔实验研究[J].激光与光电子学进展,2012,49(6):148-153.[3]㊀杨非,齐宁华,孙忠良.回音壁模高Q蓝宝石谐振器研究与设计[J].固体电子学研究与进展,2008(4):520-523.[4]㊀谢兴娟.一种基于谐振腔结构的微波位移传感器[J].传感器与微系统,2015(6):98-101.[5]㊀何克亮,张为群.介质加载谐振腔的小型化氢脉泽的研究[J].仪器仪表学报,2016(5):1164-1171.(下转第122页)MATLAB中自带的函数polyfit可以用来计算数据的n次最小二乘拟合多项式,其调用格式为A=polyfit(x,y,n),式中的x与y分别是自变量和因变量,n为多项式的次数㊂得到的A为多项式系数按降幂排列得出的行向量,可以使用polyval函数求取多项式的值,当n=1时为线性拟合㊂多项式拟合是简单且常用的方法,为确保拟合的有效性以及控制误差,同时兼顾算法的复杂程度,一般都选取适当的次数来进行拟合㊂本文经过比对最终选取五次多项式对数据来进行拟合㊂以下为某次曲线拟合的MATLAB程序,其中,每个x值一一对应下面的y值,每组x㊁y构成了一个采样点㊂x=[0.050,0.100,0.150,0.200,0.250,0.300,0.350,0.400,0.450,0.500,0.550,0.600,0.650,0.700,0.750,0.800,0.850,0.900,0.950,1.000,1.050,1.100,1.150,1.200,1.250,1.300,1.350,1.400,1.450,1.500,1.550,1.600];y=[0.000,0.196,0.572,0.880,1.342,1.768,2.244,2.559,3.032,3.464,3.949,4.257,4.736,5.000,5.000,5.000,5.000,5.000,5.000,5.000,5.000,5.000,5.000,5.000,5.000,5.000,5.000,5.000,5.000,5.000,5.000,5.000];A=polyfit(x,y,5);z=polyval(A,x);plot(x,y, r∗ ,x,z, b );xlabel( 电压(V) );ylabel( 电流(A) );legend( 实验数据 , 拟合曲线 );该程序在MATLAB中运行可得到如图9所示的拟合曲线㊂将该拟合曲线趋于稳定时的幅值与标准浓度曲线的相应幅值进行对比后,即可知道当前环境中的NOx浓度值㊂从程序运行的结果来看,本程序能拟合出一条能经过大多数点的曲线,拟合方法的效果很理想,能精确且快速地根据实验数据来拟合出理想的曲线㊂5㊀结论图9㊀基于最小二乘的曲线拟合本文以LabVIEW软件为平台开发了一个NOx浓度检测系统,该系统可以很方便地采集有关数据并保存其在相应的文档,整个界面直观明了,操作方法简单,易于实现采集㊂采集的数据经最小二乘曲线拟合后可得到更为精确的浓度曲线,通过将拟合后的曲线同标准的曲线进行比对,可以准确地确定汽车尾气中NOx污染物的浓度,并为处理该污染物作铺垫㊂由此可得:本系统非常适合现代化的检测㊂参考文献:[1]㊀陈锡辉.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2007.[2]㊀张宝峰,马常松,张洪刚.基于虚拟仪器的汽车尾气检测系统的设计[J].天津理工大学学报,2009(2):78-80.[3]㊀贺君鹏.基于AT89C52的毫安级数字电流测量仪的设计[J].电子设计工程,2015,11:184-190.[4]㊀高晋中.微弱信号检测[M].2版.北京:清华大学出版社,2011.[5]㊀张石锐,郑文刚,黄丹枫,等.微弱信号检测的前置放大电路设计[J].微计算机信息,2009(8):223-224.[6]㊀陈岚峰,杨静瑜,崔崧,等.基于MATLAB的最小二乘曲线拟合仿真研究[J].沈阳师范大学学报(自然科学版),2014(1):75-79.作者简介:李幸(1994 ),硕士研究生,研究方向为LabVIEW工业控制㊂E⁃mail:1019476673@qq.com周凤星(1952 ),教授,主要研究方向为机械故障监测与故障诊断㊂E⁃mail:zhoufengxing@wust.edu.cn(上接第116页)[6]㊀KRUPKAJ,DERZAKOWSKIK,TOBARME,etal.Complexpermittivityofsomeultralowlossdielectriccrystalsatcryo⁃genictemperatures[J].MeasurementScienceandTechnolo⁃gy,1999,10(5):87.[7]㊀陈华,巨少华,张瑾,等.一种新型圆柱型谐振腔用于闪蒸实验研究[J].微波学报,2016(4):82-87.作者简介:于莉莉(1983 ),博士,主要研究方向为微波谐振腔㊁仪器仪表和计量㊂E⁃mail:lili.yu@njtech.edu.cn张广明(1965 ),博士,主要研究方向为数字制造及控制㊂。