基于石英微毛细管的微流控光学器件-研究

华中科技大学硕士学位论文
Abstract
As one novel kind of functional photonic devices, optofluidic devices simultaneously integrate both microfluidic techniques and photonic devices with a micro system, and enable the synergism of liquid-phase materials and solid optics system. Optofluidic devices greatly enhance tunability, reconfigurability and integrated functionality, and also broaden application areas and research potentials. Theoretical and experimental investigations on silica-microcapillary-based optofluidic devices are carried out. Main contents of this thesis are summarized as follows:
The research background and significance of optofluidics are introduced, and research highlights on optofluidic devices based on silica micapillaries are summarized, along with their inherent structure features, schemes and applications. Both theoretical and experimental study are performed to investigate the structural features and optical properties of ring resonators based on silica microcapillaries.
An all-optical tunable optofluidic ring resonator is proposed, and detailed operation scheme and fabrication are introduced. This all-optical controllable device achieves a large tuning range of up to 3.3nm, as well as a good sensitivity of 0.15nm/mW, taking advantages of the photothermal effect of magnetic fluid, and optics properties of the resonator scheme.
An optofluidic polarization beam splitter based on a microcapillary is presented. Based on the analysis and study of the polarization-dependent characteristic of the whispering gallery modes within a microtube resonator, microfibers are adopted to realize an add-drop ring resonator. This splitter is able to separate two orthogonal polarization beams, and to achieve an optical spectrum with extinction ratios of 25 dB and 10 dB at the through and download port, respectively.
Key words: Optofluidics Microcapillary Optical microfiber
Optofluidic ring resonator
Polarization beam splitter
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目录
摘要 (I)
Abstract ................................................................................................................ I I 1绪论
1.1 引言 (1)
1.2 微流控光学的研究背景及意义 (1)
1.3 基于微毛细管的微流控光学器件研究现状 (7)
1.4 本论文的主要工作及创新点 (11)
2 微毛细管谐振器的光学特性、制备及测试
2.1 引言 (13)
2.2 微毛细管谐振器的理论模型 (13)
2.3 基于微纳光纤耦合的微毛细管谐振器 (17)
2.4 微毛细管谐振器的光谱特性 (21)
2.5 本章小结 (24)
3 全光可调的光流微环谐振器
3.1 引言 (25)
3.2 全光可调的光流微环谐振器的原理与制备 (25)
3.3 器件的动态性能测试 (32)
3.4 本章小结 (38)
4 基于光流微环谐振器的偏振分束器
4.1 引言 (40)
4.2 基于光流微环谐振器的偏振分束器的原理与制备 (40)
4.3 器件的特性测试 (45)
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4.4 本章小结 (48)
5 总结与展望
5.1 总结 (49)
5.2 展望 (50)
致谢 (51)
参考文献 (53)
附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录 (61)
附录2 论文中缩略词含义 (62)
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1 绪论
1.1 引言
光学器件作为传导、控制和处理光信号的工具，已经被广泛使用于基础科学研究和实际应用中。

由于固态材料相对稳定并且易于加工和控制，所以传统的光学器件通常由金属、半导体、玻璃等固相材料制备而来，但其光谱可调性、可重构性、成本及应用领域均受到了较大的限制。

随着微流控技术的发展，使液相材料作为光学器件的一部分，即液相材料与光学系统协同作用成为了可能，于是微流控光学这新兴学科应运而生[1-5]。

微流控光学作为一个新的研究焦点，同时结合了光学技术和微流控技术，引起了国内外学者的广泛关注和研究。

本章首先对微流控光学的研究背景和意义进行介绍，论述了微流控光学器件作为一种具有可调谐和可重构性质的、应用广泛的新型研究和应用平台，综述了国内外开展微流控光学研究的代表性工作，重点对基于微毛细管的微流控光学器件研究的现状进行了总结，最后概述本论文的研究工作。

1.2 微流控光学的研究背景及意义
微流控光学，也称光流控学，是一种将光学器件和流体集成在同一个系统中协同作用，以实现新颖的、多样化的功能的一种新型技术和学科[1-5]。

微流控光学这一全新的概念在2005年被Demetri Psaltis等人提出后[5]，得到了全世界学者们的关注、研究和发展，成为了一个新颖的、灵活的研究平台，广泛应用于生物、医学、化学、物理等研究领域当中。

为了更好地认识微流控光学，在此对其发展做一个简明的回顾。

微流控光学技术的诞生得益于微流控技术的发展。

微流控技术是一种能精确控制和操控微尺度流体技术手段，以实现微量化学或生物样品的合成与分析[6]。

随着科学技术的发展，降低生化实验分析中样品消耗和成本，加快实验分析时间，提高实验和测试效率逐渐成为研究人员们的研究重点。

从上世纪90年代起，得益于微机电系统MEMS （Micro-Electro-Mechanical System）的快速发展，人们能将很多必要的元器件和功能
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集成在一个很小的实验平台上，例如在芯片上，同时引入微米尺度的液体，以实现在微观尺度上的生化实验、分析和探测，达到了自动化、便携、快速、低成本等目的。

研究人员利用这样的微流控技术，构建起了微全分析系统（Micro-Total-Analysis System），也成为芯片实验室（Lab on a Chip），广泛应用于大规模的生化合成、分析化学、病毒检测等领域。

在这个基础之上，微流控光学技术创造性地将光学器件与微流控器件集成在一小型化的系统中，使其功能得到了进一步地拓展。

在一个微流控光学器件中，该系统同时包含了光学部分和微流部分，利用液相材料的特殊性质或者作用机理，可以实现对系统中的光学器件的性质以及功能的调控，从而能实现有源器件，或具有可调性、可重构性的器件，也可以成为一些基础学科研究的理想平台。

反过来，微流控光学器件可以对液相介质进行分析和处理，实现高灵敏度探测、传感，甚至实现精确的、多维度的微观操控。

综上可见，微流控光学器件有如此多的优良性质和潜在应用价值。

在这样的背景下，近十年来微流控光学技术吸引了国内外学者对其进行了深入而广泛的研究，涌现了许多代表性的工作，将在下文概述。

一方面，微流控光学器件相比于传统的光学器件，很明显的一个优势是引入了液相材料，因为液相材料所具备的一些独特的性质就可以被利用起来，极大地丰富了器件的功能性，相对于传统的全固态光学器件带来了前所未有的新的应用维度。

液相材料因其成分的不同因而具备不同的性质，如有源（提供增益）、吸收等性质，同时液相材料也具有流动性、可置换性。

利用这些性质，可以用来在芯片或者毛细管上制作染料激光器，制作调谐范围更大的光学器件。

在2006年，Demetri Psaltis等人在聚二甲基硅氧烷（PDMS）这种弹性材料芯片上实现了一个分布式反馈（DFB: Distributed Feedback）染料激光器[7]。

如图1-1(a)所示，这个激光器主要包含了一个可以导光的液芯波导和一个具有相移结构的DFB光栅结构。

液芯波导中的液态染料为有源材料因而作为该激光器的工作物质，DFB光栅区域可以作为一个谐振机制用来筛选出特定的激光波长，在波长为532 nm的泵浦光的泵浦下，实现了低阈值的、单纵模的可见光激光激射。

光流控燃料激光器的一个最大优势是能灵活地改变激光器的工作物质即染料，从而可以灵活地改变激光器的工作波段。

Xudong Fan等人在石英微纳毛细
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管上也做了一系列光流染料激光器的工作，实现了不同功能的激光器[8-12]。

利用液相材料的流动性和可置换性，为实现可调谐、可重构器件提供很好的解决方案。

Uriel Levy 等人在硅芯片上实现了一个可调谐的光学微环谐振器，通过流体来调谐光学器件的谐振波长，调谐范围达到了2 nm[13]。

如图1-1（b）所示，这个器件主要包含硅基光学微环器件和覆盖在其之上的流体通道。

硅基器件中的光倏逝场有一部分分布在流体当中，而光场能与流体相互作用，所以改变流体的浓度或者成分，可以改变光学器件的光学特性，例如微环谐振器中谐振光波长以及波导的耦合强度，最终体现在透射光谱的变化。

图1-1 (a)单模光流分布式反馈燃料激光器[7]；（b）芯片上的可调谐光学微环谐振器[13]
同时，在处于层流状态的两种液相材料的界面处，存在着液体相互扩散的现象，因而在垂直于界面的方向上液体的折射率是呈梯度分布的，换而言之，折射率具有渐变分布的特性，这一点在全固态光学器件中是极其难以实现的。

Xiaole Mao等人利用这种性质，通过分别改变不同液体的流速，实现了可调谐、可重构的液态渐变折射率棱镜[14]。

更进一步地，Yi Yang与Aiqun Liu等研究人员将这种性质与变换光学紧密结合起来，首次将通常情况下难以实现的变化光学在微流控光学器件中演示出来[15, 16]。

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不同的层流流速对应不同的扩散状态，即对应了不同的渐变折射率分布包络，从而实现对光束整形、聚焦、分束、干涉和路由等功能，由图1-2所示。

图1-2 微流控器件中光束的聚焦和干涉现象[14,15]：(a)该微流控光学器件的示意图；(b)光束聚焦时的渐变折射率分布；(c)光束干涉时的渐变折射率分布；(d)光流波导中光束聚焦涉示意图；(e)光
流控波导中光束干涉示意图
另一方面，微流控光学芯片中的光学部分因具有紧凑、高灵敏度等特性，可以用来对光流系统中的液体以及悬浮的微纳颗粒进行分析、检测、筛选和操控。

微流控光学器件能对液体进行传感、分析与检测的原理是：如图1-3(a)所示，各种光学谐振器中的谐振光或其倏逝场能可以分布在系统中的待测液体中，从而能与待测物相互作用。

最后溶液的折射率、浓度或者微纳颗粒的一些物理特性能反应在光学器件的透射光谱或者反射光谱上，主要表现为功率的变化、谐振波长的漂移、光谱展宽或者劈裂，如图1-3(b)所示。

基于这种原理，很多研究人员将各种形式微流控光学器件应用在生化传感、探测等领域上，其中具有代表性的是Xundong Fan等人提出的基于石英微毛细管[17]和Fabry–Pérot谐振腔[18]的传感器，实现了对溶液折射率、浓度、生物分子、病毒等对象的高灵敏度探测。

Benjamin Eggleton等人利用干涉仪的方法对液体性质进行了分析[6]。

Yunfeng Xiao等人利用了高Q微腔实现了单纳米颗粒和病毒探测[19]。

Nicolas
华中科技大学硕士学位论文Descharmes等人利用亚μm尺度的光子晶体微腔实现了对单纳米颗粒的探测[20]。

图1-3 微流控光学器件在传感、探测应用上的原理示意图：(a)微流控光学器件用于传感的原理，反馈腔可以是环形、平面镜等结构；(b)光学器件的光学谱随折射改变的示意图此外，由于微纳光学器件具有紧凑的结构，对光束有极其强的限制，且具有很强的倏逝场，这些特殊的性质也可以用来对光流系统中的微纳颗粒进行捕获和操纵。

微流控光学器件用于对液体中微纳颗粒的捕获，是基于近场光学的原理，相比较于远场光学的技术手段，大大降低的器件的体积、功耗，极大地提高了捕获和操控的效率和准确性，同时让捕获和操控纳米颗粒和分子成为了可能。

2014年，Michal Lipson和Michelle D. Wang等人在硅基上利用光束干涉形成驻波的原理实现了对纳米颗粒和DNA分子的精确阵列操纵，如图1-4示[21]。

最近几年，Kenneth Crozier等人利用硅基器件和超材料表面，做了一些列的对溶液中纳米颗粒的探测和操控的代表性工作[22-24]。

这些工作说明微流控光学器件在生化应用上是具有极大的潜力和应用价值的。

图1-4 微流控光学器件上实现对生物分子颗粒的精确操控[21]当然，除了以上简要举例的一些代表性工作和应用，微流控光学器件的应用并不局限于此，比如在新能源领域也有着很好的应用研究价值[3]。

由上述可知，微流控光学
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器件的原理、结构和实现方法也是多种多样的。

在了解微流控光学器件的概念、发展背景和应用后，我们有必要对微流控光学器件平台做一个总结和分类，以便我们选取一个适当的光流控器件平台作为研究对象。

根据已报道的文献，将微流控光学器件平台大致分为一下几类，如图1-5示。

图1-5 微流控光学器件分类：三种片上器件(a)反谐振反射光波导ARROW(Antiresonant Reflecting Optical Waveguides)，光场在横向上被周围的多层结构反射到低折射率的液芯中[25]；(b)PDMS光流芯片，通常由空间光或者光纤实现光的输入和输出耦合[26, 27]；(c)片上硅基SOI(Silican On Insulator)光流器件[13]；分离器件(d)石英微毛细管(Microcapillary)[28]；(e)气泡状石英毛细管(Microbubble)[29]
以上几种类型的微流控光学器件平台各有特点，应用领域也不尽相同，其各自优劣比较如下表1-1所示。

表1-1 各种光流器件平台比较
类型ARROW PDMS SOI Microcapillary Microbubble
优势光与液体相互
作用强低成本，易与光
源耦合
极小体积，与微
流控兼容
天然谐振腔和流体通
道，易耦合
高品质因子
劣势成本高，
工艺复杂导热性差，耐热
性不强
成本较高光场束缚能力较差对工艺有一定
要求
通过上述图表我们可以了解到各种微流控光学器件平台的特点。

其中，石英毛细管是一个结构简单、制作成本低、性能优良的氧化硅器件，广泛应用于生物化学分析领域，但是在光学领域的应用目前还不多。

石英毛细管在轴向上为流体的存储和流动
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提供了一个通道，这样使其极易与微流系统实现兼容。

此外，石英毛细管还拥有其他很多独特的特性：垂直于石英毛细管轴向的横截面的介质为环形分布，可以作为一个光学微腔；管壁的存在，既隔绝了管外的外界环境变化对管内流体的扰动，又可以在内径以内产生倏逝光场与内部腔道中的流体相互作用；作为光学微腔谐振器，可以突破普通微腔应用时的折射率限制，使用高于氧化硅折射率的流体时依然可以形成回音壁模式WGMs（Whispering-Gallery Modes）。

同时，石英毛细管的生产制作工艺决定了它具有很小的表面粗糙度，可以用于构造低损耗的微型光器件。

它自身的特殊的结构，使得它的可调性大大强于普通的光学微腔。

将石英毛细管与光流控技术相结合，无疑为构造结构新颖的具有优良性能的光学器件提供了可能。

我们根据课题组在微纳光纤上的研究基础和现有条件，选取石英微毛细管和微纳光纤作为一个光流控器件平台，研究和探索其在可重构光学器件、新颖光子器件上的潜在应用。

我们将在下一节重点介绍基于石英微毛细管的微流控光学器件的研究现状。

1.3 基于微毛细管的微流控光学器件研究现状
经过最近十年的发展，涌现了很多基于二氧化硅微毛细管的微流控光学器的应用和研究工作。

本文将这些应用和研究划分为三个领域：激光器、生化传感探测和光机械研究，并分别对这三个方向的研究工作进行综述，介绍其工作原理、实现方法和应用前景。

1.3.1 基于微毛细管的染料激光器
激光器作为一种十分重要的光源，自诞生以来，已经广泛应用于科学研究和实际生产生活中，特别是液体染料激光器，因其具有更大的波长范围、提供较高的光功率和低廉的成本。

随着技术的发展，小型化、低阈值、波长可切换的染料激光器逐渐成为我们所追求的目标，所以在μm尺度上的器件上实现染料激光器成为了一种解决方案[30]。

由上一节介绍可知，微毛细管有着天然的流体通道、环形谐振器结构以及稳定的材料性质，被认为十分有潜力去实现微型的染料激光器，Xundong Fan、Lei Xu等研究团队已经报道了一系列的相关工作。

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图1-6 基于微毛细管的光流染料激光器原理示意图：(a)器件横截面；(b)器件三维侧面图[30]基于石英微毛细管的光流染料激光器的基本原理如图1-6所示。

石英微毛细管的几何结构可以看成一个空心的圆环柱，环宽一般在几μm到几十μm。

它的任意一个横截面可以当作一个环形的谐振器，支持光学WGMs，这个机制就可以作为激光器的反馈腔或谐振腔，如图1-6。

同时，微毛细管的环形壁内侧有一个空心柱，可以当作流体的流动通道或者存储空间，这样液体染料等有源介质可以填充这个空间，作为激光器的工作物质。

此外，用空间光泵浦等方式可以当作光流染料激光器的泵浦源。

如此，一个激光器的三要素：谐振腔、工作物质和泵浦源都已具备。

由于谐振光的倏逝场有一部分是分布在柱内的增益介质内的，当泵浦光的功率达到阈值之上时，谐振光被有源介质放大并且在腔内反复传输使得放大作用进一步增强，同时产生的激光可以由该激光器侧向输出，如图1-6所示。

基于这样的原理，就能在μm尺度的毛细管中实现一个有效的染料激光器。

早在2007年，Siyka Shopova和Xudong Fan报道了基于微毛细管的染料激光器，实现了在573 nm等波长处的激光激射，最低阈值功率低至1μJ/mm2。

该激光器的激射波长可由改变或者添加不同的染料成分来实现，输出的光既可以由空间激射，也可以由微纳光纤耦合出射[31]。

2008年，Hongying Zhu用这种结构实现了无标记的病毒探测[32]。

随后，Xundong Fan课题组的Jonathan D. Suter[9]和Yuze Sun[10]分别在2008年和2009年报道了基于微毛细管的具有定向输出的特性的光流染料激光器。

同时，Xu Lei[33, 34]、Siyka I. Shopova[35]等人分别利用耦合的微毛细管实现光流染料激光器。

为提高激光器的工作效率，降低激射阈值，Xudong Fan等人利用荧光谐振能量转移技术FRET(Fluorescence Resonance Energy Transfer)，其工作物质中含有受体和捐赠体成分，
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同是利用DNA不同的状态等方案，分别实现了低阈值、波长可切换的光流激光器[36-38]。

这样的光流染料激光器，成本低，紧凑，灵活高效，不仅可以当作光源，也可以作为潜在的超高灵敏度的传感和探测应用。

1.3.2 基于微毛细管的生化传感和探测
在生物和化学分析检测方法中，测量样品的有效折射率是一种十分常见和必要的技术手段，也称无标记探测方法，因为样品的有效折射率可以直接反映被测对象的浓度或者密度[2]。

我们知道，生化样品的有效折射率是由样品所在的溶液的浓度或者密度决定，而与被测样品量的多少无关，因而能在微纳器件平台上实现极小的样品开销、高灵敏度、简单高效的折射率探测技术是十分具有吸引力的。

而基于微毛细管的微流控光学器件恰好能满足这些条件和要求，将流体样品输送和光学分析探测方法结合在了一起，实现了高灵敏的折射率探测。

图1-7 基于微毛细管的生物化学传感探测方案原理示意图
基于石英微毛细管的生物化学传感探测的基本原理如图1-7所示，微毛细管的直径通常在10~102 μm的量级，其内部的流体通道可以供待测生化样品的流通，这样使得样品的消耗降到极低的程度，这是一般的光学器件不具备的结构优势。

同时，因为毛细管具有几个μm厚度的二氧化硅材料的环形管壁，可以支持较高品质因子的光学WGMs，并且伴有较多的倏逝场能分布在管内的生化样品当中。

谐振光反复与样品相互作用使得该器件能达到很高的传感探测灵敏度。

2006年，Xundong Fan研究团队的Ian M. White等人提出利用石英微毛细管的传感器，前后实现了2.6 nm/RIU和10 nm/RIU（Refractive Index Units）的探测灵敏度[17, 39]。

他们在实验上证明了这一高灵敏度、结构紧凑、低样品消耗和具有可阵列化前景的光
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流探测器件。

随后在2010年，Hao Li等人将这一结构的性能提高到570 nm/RIU[40]。

同时，在此基础上，为了实现对特定样品的传感和探测，对石英毛细管的内壁进行表面处理，涂覆一层有机物或者生物涂层用于捕获特定的生物分子或者与其发生反应，而这一过程可以被回音壁模式的倏逝场感知，最终反应在器件光学谱的变化上。

进一步地，Hao Li和Lei Xu等人在此基础上利用两个微毛细管腔耦合实现了具有压制模式噪声的自参考光流传感器，并在实验中证实了对牛血清蛋白进行了探测的可行性[34, 40]。

为了观察和探测蛋白质分子间或者分子内部的很细微的反应过程，常用荧光标记的方法，但是由于这些微小的信号常常被噪声淹没。

2013年，Qiushu Chen等人引入上一节所述的光流染料激光器的方法，将这些微弱的信号进行放大，从而能增强荧光信号，使得监测蛋白质分子反应成为了可能[37, 38]。

1.3.3 基于微毛细管的光力学研究
近十年来，光力学即光机械学（Optomechanics）这一前沿的基础研究领域吸引了各国学者的浓烈的兴趣，并在许多微纳光学器件上得到了实验验证[41-44]。

光机械学为许多基础科学提供了一个很好的研究契机和平台，例如探索量子机制、量子加热和冷却、射频光子学以及全光的光子振荡器等。

由于在液体环境中，液体的声阻远大于空气使得机械模式（或声学模式）的能力会很快在水中耗散，所以光机械的实验证明绝大部分只是在全固态器件中实现的。

然而，石英微毛细管因其独有的管状结构特征，能将光机械学与微流体结合在一起，使得光机械学能应用于非固相物质的研究。

图1-8 基于微毛细管的光致机械振动的原理示意图
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2013年，Gaurav Bahl、Kyu Hyun Kim以及Tal Carmon等人首次在微毛细管腔中进行了光机械与流体相互作用的研究，实现了从数十MHz到约1GHz的光致机械（声学）振动频率，开辟了利用光机械研究非固相材料的研究方向[45]。

基于为毛细管的光致机械振动如图1-8所示，光场通过微纳光纤的倏逝场耦合到相邻的微毛细管腔中并激励起其中的回音壁模式。

在微毛细管壁中周期性谐振的光场对管壁有辐射压力的作用，接着光的辐射压力驱动极薄的微毛细管壁的振动即声学振动，从而激励起不同频率的声学回音壁模式。

这些声学振动模式反过来会对该系统耦合区的光场耦合状态施加一个周期性的调制作用，在光纤的输出端通过电示波器可以对这一振动频率进行分析。

同年，Gaurav Bahl等人在同样的结构中激励起受激布里渊（Stimulated Brillouin Scattering）这一非常强的非线性过程，首次在一个微流控光学器件中实现了高达11 GHz 的声学振动[46]。

这些研究者们人为这种光流器件平台十分有希望用于生物或者光学的分析物的光致机械作用研究，更进一步地，也有希望将其应用于超流等量子科学研究。

1.4 本论文的主要工作及创新点
目前，对基于石英微毛细管在微流控光学领域的研究主要集中在生化分析和探测领域，在一些光机械等基础研究和可调谐光子器件等应用研究还有很大的探索挖掘空间。

将具有独特的结构特性的石英微毛细管与倏逝光场大、耦合能力强、结构简单的微纳光纤相结合，可以构建出新型、紧凑和灵活的光子器件，这将具有十分有潜力的研究和应用价值。

本论文的工作是在国家自然科学基金杰出青年科学家项目“超高速光子信息处理器件与集成”（项目编号：61307075）和国家自然科学基金青年科学基金项目“基于异质材料微纳光纤耦合结构的环形谐振器及其应用研究”（项目编号：20120142120067）等资助支持下完成的，文章各个章节的主要内容如下：
第一章介绍了论文课题的来源和背景，概述了微流控光学的发展、应用与现状，并重点对基于二氧化硅微毛细管的微流控光学器件的研究和应用进行了归纳介绍，提出了本文的研究对象。

第二章介绍微毛细管光学谐振器的物理模型以及相关理论推导，对微毛细管环形谐振器与微纳光纤耦合进行了数值计算，并结合实验结果进行了理论分析。

本章作为。