CN112928593B - 一种磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调制方法，属于磁光探测领域；具体为：首先，搭建共振频率调控装置，光纤搭载在回音壁腔上方，在回音壁腔一侧放置纳米球；通过移动纳米球使其位于回音壁腔的倏逝场范围内；然后，打开激光器，激光输入回音壁腔，通过不断调整纳米球和回音壁腔的间隔，记录示波器上明显劈裂对应的低频值w1和高频值w2；接着，打开指定强度为b的磁场或微波场，再次记录此时劈裂的低频值w1'和高频值w2'，并计算磁场或微波场的频移转化系数v；最后，利用频移转化系数v，根据待调制的共振频率w，计算要输入的磁场强度p，即实现共振频率的调控；本发明不需要物理上的接触，不需要对被调控的回音壁微腔做任何改变，具有稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光学微腔共振频率调控领域，具体是一种磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调制方法。
背景技术
光学微腔是一种能够把光场限制在微米量级区域中的光学谐振腔，由光场存储，光与物质相互作用的发生平台组成。
对于球状光学微腔，其中光场存在的一个重要模式为回音壁模式，回音壁模式的形成原理是回音壁光学腔中光的全反射，而只有当光在腔中通过的路径形成了闭合路径，并且这个路径的长度是光波长的整数倍时回音壁模式才能稳定存在。回音壁模式中的光并不是完全严格的囚禁于几何体内部，在几何体外部也会存在一部分光，这部分光场被称为倏逝场。当在倏逝场中存在近波长尺度的介质结构时，会改变整个回音壁模式的光程，进而改变其共振频率，这就实现了模式的调控。
磁光材料是指在紫外到红外波段，具有磁光效应的光信息功能材料。在外界磁场下，其电磁物性会产生变化，其中磁导率的变化会影响折射率，使得磁光材料中的光学长度产生变化。
目前常用的共振频率调制方法是通过压电陶瓷、热膨胀或者磁致形变等，来调节光学腔的几何形状来达到调制系统共振频率的目的。这个过程中无一例外都会涉及系统的机械变化，这使得系统受环境的影响比较明显。
发明内容
本发明直接使用磁光相互作用，通过磁场调制材料的电磁特性来调制回音壁微腔的共振频率，具体是一种磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调制方法，不需要系统产生几何性质的变化，因此不涉及机械运动，通过磁场实现无接触调制，具有更好的环境鲁棒性；对不同环境具有普适性。
所述的磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调制方法，具体步骤如下：
步骤一、搭建磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调控装置；
具体包括：激光器通过法兰耦合光纤一端，光纤搭载在核心组件上方，光纤另一端通过法兰连接光探测器，最终光探测器连接示波器。
所述的核心组件包括：纳米球，回音壁腔，天线和微波信号发生器。
在回音壁腔外侧的上方安装两个伸缩支架，支架上搭载光纤，通过调整伸缩支架的长度，进而调整光纤与回音壁腔之间的间距；同时，回音壁腔下方放置在位移器上，通过移动位移器，带动回音壁腔上下移动，从而调整回音壁腔与光纤的间距。
在回音壁腔一侧放置纳米球，纳米球与回音壁腔之间设有间隔，纳米球也放置在位移器上，通过移动纳米球的位移器，从而调整纳米球与回音壁腔的间隔；同时，纳米球设置在光纤的传输范围之外；
微波信号发生器通过信号线缆连接天线，将微波信号经天线传输到纳米球和回音壁腔内，同时在核心组件外加电磁铁，使得核心组件位于磁场的范围内；
步骤二、通过位移器移动纳米球，使纳米球位于回音壁腔的倏逝场范围内；
此时纳米球与回音壁腔的距离为100nm左右。
步骤三、打开激光器，激光输入回音壁腔后，由于纳米球的散射作用，在示波器能看到光学腔模式劈裂，通过不断调整纳米球和回音壁腔，直到出现明显劈裂，记录此时示波器上明显劈裂对应的低频值w1和高频值w2；
步骤四、固定纳米球和回音壁腔的位置，打开指定强度为b的磁场，再次记录此时劈裂的低频值w1'和高频值w2'，并计算磁场频移转化系数v；
v＝(w1'-w1)/b
同理，打开指定强度为b的磁场，利用高频值也可以计算磁场频移转化系数v；
v＝(w2'-w2)/b
同理，将磁场强度为b的磁场，替换成打开微波信号发生器并指定微波场强度b'，计算微波场频移转化系数；
同时，微波场下的频移转化系数也可分别用低频值计算或高频值计算；
步骤五、利用磁场频移转化系数v，根据待调制的共振频率w，计算要输入的磁场强度p，即实现共振频率的调控；
要输入的磁场强度为：p＝(w-w1)/(2v)；
同理，利用微波频移转化系数，根据给出的待调制共振频率，计算要输入的微波场强度，实现共振频率的调控。
本发明的优点在于：
一种磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调制方法，使用磁场或微波场对模式进行调制，不需要物理上的接触，或者机械的运动控制，不需要对被调控的回音壁微腔做任何改变，系统具有稳定性。
附图说明
图1为本发明一种磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调制方法的流程图；
图2为本发明搭建的磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调控装置示意图；
图3为本发明所述共振频率调控装置中的核心组件。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。
本发明公开了一种使用磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调制方法，是磁致折射率变化下瑞利散射诱导的共振频率调控方案。具体为：纳米球具有接近于通信波长1550纳米的尺度结构，可以对该尺度的光产生瑞利散射，瑞利散射下回音壁光学微腔中的顺时针和逆时针模式产生耦合，使得本来简并的这两个模式形成超模，并产生劈裂，产生劈裂的大小与球状结构的大小及折射率有关。本发明采用的纳米尺度的磁光球形结构，该球形材料会在外界磁场作用下，产生磁介质系数的变化，进而改变折射率；也就是将外部磁场或者微波场转变为本身的折射率的变化，这样，通过磁场就能改变回音壁微腔中模式的光程，对回音壁腔的共振频率进行无接触的非机械调节。
所述的磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调制方法，如图1所示，具体步骤如下：
步骤一、搭建磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调控装置；
如图2所示，具体包括：激光器通过法兰耦合光纤一端，光纤搭载在核心组件上方，光纤另一端通过法兰连接光探测器，最终光探测器连接示波器。
所述的核心组件如图3所示，包括：纳米球，回音壁腔，天线和微波信号发生器。
在回音壁腔外侧的上方安装两个伸缩支架，支架上搭载光纤，通过调整伸缩支架的长度，进而调整光纤与回音壁腔之间的间距；同时，回音壁腔下方放置在位移器上，通过移动位移器，带动回音壁腔上下移动，从而调整回音壁腔与光纤的间距。
在回音壁腔一侧放置纳米球，纳米球与回音壁腔之间设有间隔，纳米球也放置在位移器上，通过移动纳米球的位移器，从而调整纳米球与回音壁腔的间隔；同时，纳米球设置在光纤的传输范围之外；
微波信号发生器通过信号线缆连接天线，将微波信号经天线传输到纳米球和回音壁腔内，同时在核心组件外加电磁铁，使得核心组件位于磁场的范围内；磁场和微波场的强度和频率均可调。
所述的磁光纳米球材料采用钇铁石镏石，氟化铁或掺Bi稀土铁石榴石头中的一种。
所述的回音壁光学微腔在几何上是盘状，球状，微环，微环芯或柱状结构，其材料采用二氧化硅、硅、氮化硅、铌酸锂、氮化铝、氮化镓或锗中的一种。
步骤二、通过位移器移动纳米球，使纳米球位于回音壁腔的倏逝场范围内；
将磁光纳米球移动接近回音壁腔，且间隔100nm左右。
步骤三、打开激光器，激光输入回音壁腔后扫谱，由于纳米球的散射作用，在示波器能看到光学腔模式劈裂，通过不断调整纳米球和回音壁腔，直到出现明显劈裂，记录此时示波器上明显劈裂对应的低频值w1和高频值w2；
步骤四、固定纳米球和回音壁腔的位置，打开指定强度为b的磁场，再次记录此时劈裂的低频值w1'和高频值w2'，并计算磁场频移转化系数v；
v＝(w1'-w1)/b
同理，打开指定强度为b的磁场，利用高频值也可以计算磁场频移转化系数v；
v＝(w2'-w2)/b
同理，将磁场强度为b的磁场，替换成打开微波信号发生器并指定微波场强度b'，计算微波场频移转化系数；
同时，微波场下的频移转化系数也可分别用低频值计算或高频值计算；
步骤五、利用磁场频移转化系数v，根据待调制的共振频率w，计算要输入的磁场强度p，即实现共振频率的调控；
要输入的磁场强度为：p＝(w-w1)/(2v)；
同理，利用微波频移转化系数，根据给出的待调制共振频率，计算要输入的微波场强度，实现共振频率的调控。
实施例
选用的激光器为标准的1550nm通信光源，功率为0.03mw。纳米球为磁光材料钇铁石镏石球，回音壁腔为二氧化硅盘状腔；可调的磁场或者微波信号发生器。
激光器的输入光耦合进二氧化硅盘状腔，调节光纤-盘的贴合区域，在示波器扫谱观察到明显的吸收谷，锁定扫谱范围为吸收谷附近；通过位移器移动纳米球使其与盘状腔靠近，调整球-盘的贴合区域，直至上述光谱出现双谷结构；固定纳米球和盘状腔的位置。
逐步加强磁场或微波场的激励强度，记录吸收谷的分裂大小，并计算磁场或微波场的对应频移转化系数，最后，利用频移转化系数，根据待调制的共振频率w，计算要输入的磁场强度p，即实现共振频率的调控；至此磁光纳米球的回音壁微腔模式调制完毕，在应用过程中即将回音壁微腔的模式通过外加磁场移动到需要位置。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调制方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、搭建磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调控装置；
具体包括：激光器通过法兰耦合光纤一端，光纤搭载在核心组件上方，光纤另一端通过法兰连接光探测器，最终光探测器连接示波器；
所述的核心组件包括：纳米球，回音壁腔，天线和微波信号发生器；
在回音壁腔外侧的上方安装两个伸缩支架，支架上搭载光纤，通过调整伸缩支架的长度，进而调整光纤与回音壁腔之间的间距；同时，回音壁腔下方放置在位移器上，通过移动位移器，带动回音壁腔上下移动，从而调整回音壁腔与光纤的间距；
在回音壁腔一侧放置纳米球，纳米球与回音壁腔之间设有间隔，纳米球也放置在位移器上，通过移动纳米球的位移器，从而调整纳米球与回音壁腔的间隔；同时，纳米球设置在光纤的传输范围之外；
微波信号发生器通过信号线缆连接天线，将微波信号经天线传输到纳米球和回音壁腔内，同时在核心组件外加电磁铁，使得核心组件位于磁场的范围内；
步骤二、通过位移器移动纳米球，使纳米球位于回音壁腔的倏逝场范围内；
步骤三、打开激光器，激光输入回音壁腔后，由于纳米球的散射作用，在示波器能看到光学腔模式劈裂，通过不断调整纳米球和回音壁腔，直到出现明显劈裂，记录此时示波器上明显劈裂对应的低频值w1和高频值w2；
步骤四、固定纳米球和回音壁腔的位置，打开指定强度为b的磁场，再次记录此时劈裂的低频值w1'和高频值w2'，并计算磁场频移转化系数v；
v＝(w1'-w1)/b
步骤五、利用磁场频移转化系数v，根据待调制的共振频率w，计算要输入的磁场强度p，即实现共振频率的调控；
要输入的磁场强度为：p＝(w-w1)/(2v)。
2.如权利要求1所述的一种磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调制方法，其特征在于，步骤一中所述的纳米球材料采用钇铁石镏石，氟化铁或掺Bi稀土铁石榴石头中的一种。
3.如权利要求1所述的一种磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调制方法，其特征在于，步骤一中所述的回音壁腔在几何上是盘状，球状，微环，微环芯或柱状结构，其材料采用二氧化硅、硅、氮化硅、铌酸锂、氮化铝、氮化镓或锗中的一种。
4.如权利要求1所述的一种磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调制方法，其特征在于，步骤二中所述纳米球与回音壁腔的距离为100nm。
5.如权利要求1所述的一种磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调制方法，其特征在于，所述步骤四替换为：打开指定强度为b的磁场，利用高频值计算磁场频移转化系数v；
v＝(w2'-w2)/b。
6.如权利要求1所述的一种磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调制方法，其特征在于，所述步骤四中，将磁场强度为b的磁场，替换成打开微波信号发生器并指定微波场强度b'，计算微波场频移转化系数。
7.如权利要求6所述的一种磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调制方法，其特征在于，所述步骤四中，微波场下的频移转化系数用低频值计算。
8.如权利要求1所述的一种磁光纳米球的回音壁微腔共振频率调制方法，其特征在于，所述步骤五替换为：利用微波频移转化系数，根据给出的待调制共振频率，计算要输入的微波场强度，实现共振频率的调控。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Optical Magnetic Sensing Using Whispering Gallery Mode Optomagnonical Cavity;Ting-Tian Pang et al.;《IEEE Xplore》;20201010;第2742-2748页 * |
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|---|---|
| CN112928593A (zh) | 2021-06-08 |
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