[发明专利]一种基于光学微谐振腔热光振荡的热耗散率测量方法

说明书

一种基于光学微谐振腔热光振荡的热耗散率测量方法，当可调谐激光器扫频光学微谐振腔共振频率时，改变微腔衬底结构或周围介质热参数时，可不断改变热耗散率γ_r的值。对应一个热耗散率γ_r，当可调谐激光器扫频光学微谐振腔共振频率时，检测热光振荡传输波形，采集振荡波形上的振荡周期值，将该振荡周期值输入经过训练以及参数优化的神经网络中，可测量得到与其对应的热耗散率γ_r。本发明具有良好的测量性能，误差较低且易于实现。

技术领域

本发明属于光学微腔传感领域，特别涉及一种基于光学微谐振腔热光振荡的热耗散率测量方法。

背景技术

回音壁(whispering-gallery-mode,WGM)光学微腔具有高光学Q因子和小模式体积，极大提高了光和物质的相互作用，故回音壁光学微腔传感器具有极高的传感灵敏度，已经吸引了很多研究者极大的研究兴趣。

自激热光振荡是回音壁模式谐振腔中的一种极为重要的热诱导现象。目前，在许多不同类型的谐振腔中，如微球谐振腔，微环谐振腔以及微盘谐振腔中都已观察到了热光振荡现象。对于光纤耦合微腔的系统，当耦合进光纤的激光器以不同的扫频速度扫过微谐振腔的共振模式时，由于光热效应，热膨胀效应以及克尔效应等以及它们之间的相互作用，输出光纤的传输随时间变化呈现出准周期性的振荡波形。在热光振荡过程中，模式体积和共振腔体温度变化与整个微腔对衬底和周围介质的热耗散率有直接关系，从而直接决定驰豫振荡中周期的长短。热光振荡的理论模型考虑了热膨胀效应，光热效应以及克尔非线性效应。模型中的瞬时谐振频率f_r可表示为：

其中f₀表示在没有非线性效应影响下谐振腔的谐振频率，n_t1表示光热系数，n₁表示折射率。ΔT₁和ΔT₂分别表示谐振腔模式体积与腔体内的温度变化。n_t2表示谐振腔的热膨胀系数，n_k表示谐振腔的克尔系数，A表示光学模式的有效横截面积。微腔内的光功率P_c(t)＝|E_c(t)|²/τ_r，其中E_c表示腔内光场。τ_r＝n₁πd/c表示光在谐振腔内传播一周所需要的时间，其中d表示谐振腔的直径，c表示真空环境下的光速。腔场内的振幅以及模式体积与腔体内的温度变化表示为：

其中Δf(t)＝f_l-f_r表示激光器频率f_l与瞬时谐振频率f_r之间的失谐频率。其中Q₀表示谐振腔的固有品质因子，Q_c表示谐振腔的耦合品质因子，表示微腔的耦合系数，s表示激光器的频率扫描速度。P_in表示入射光纤的功率。γ_m表示微腔模式体积到整个腔体的热耗散率，γ_r表示整个腔体到衬底和周围介质的热耗散率，γ_ab1表示模式体积内的热吸收系数，γ_ab2＝γ_ab1·(V_m1/V_m2)表示整个腔体的热吸收系数，V_m1和V_m2分别表示模式体积以及腔体体积。系数δ满足δ＝f_lπ/Q₀+f_lπ/Q_c。

输出光场E_out表示为：

传输T(t)表示为：

T(t)＝|E_out(t)|²/|E_in(t)|²