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光学微腔是指直径在5~500微米之间的光学介质谐振器。不同形状的微腔有其独特的用途:椭球微腔会带来光学多路复用器、记忆设备等的进一步发展;圆环谐振腔可用于高阶滤波器的改良等等。微腔以其高品质因素(Q)值的回音壁模式、较小的模式体积和较低的激光阈值而备受关注,对微腔的研究已成为现代激光和光电子学研究领域的一个新课题。
时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain Method:FDTD)作为当前最有效的数值计算方法之一,具有直接时域计算、节约储存空间和时间等优点,在计算电磁学中得到了广泛的应用。
本文利用FDTD法,对圆柱形微腔构成的超低阈值激光器进行了理论分析。具体是用偶极子模拟单分子作为激励源,研究了不同物理条件下圆盘回音壁模式的电磁场分布及它们各自的传输特性,主要取得了以下几点结论:
1)改变偶极子源的物理条件,包括偶极子源与圆盘的距离、偶极子源的极化方向和频率等,进而观察圆盘回音壁模式的改变,经计算模拟发现:在高斯偶极子源下,随着源与盘间距离的增大,圆盘中的场强减弱;Y方向极化高斯偶极子源下圆盘回音壁模式耦合最好,Z方向极化源下不能得到理想的回音壁模式;其它条件一定,200THz的正弦偶极子源下能得到比较好的回音壁模式,频率过高或过低所得到的模式均不理想。
2)考察不同圆盘参数下的回音壁模式:在高斯偶极子源下,改变圆盘与外界的相对折射率(n=1.3547,1.4085,1.4684,2.0),计算表明,随着n增大,圆盘内的场强越来越强,当n=2.0时,回音壁模式最好:在200THz的正弦偶极子源下,改变圆盘的半径(r=1.55 μm,2.00μm,2.55μm,3.10μm,5.00μm),回音壁模式也随之发生改变,在其它条件不变的情况下,半径增大,回音壁模式内场强越来越强,当r=2.55μm时模式耦合最好,当半径增大到5.00μm时模式变得很复杂。
3)利用FDTD法得到的最优回音壁模式参数吻合圆盘微腔回音壁模式共振峰位置的解析近似公式,对指导实验有一定意义。