回音壁模式光学微腔由于具有显著的非线性效应而得到广泛的研究,其兼容半导体加工工艺的制备方法使得其易于在芯片上集成和扩展,并且对于以腔量子电动力学为基础的量子计算、全光集成光路芯片和功能器件的应用和发展等方面均具有重要的研究价值。本文以回音壁腔的非线性光学性质研究和应用探索为目标,围绕着基于回音壁模式光学微腔光热效应的理论和实验应用开展研究,主要的工作内容有:(1)为了解决回音壁腔与光纤锥耦合系统从实验室转化到工程应用面临的关键问题,我们提出采用整体封装的方式。封装过程中能实时动态调节耦合参数,封装方法成功率高,封装后的光学模式品质因子Q高达2×107。在封装之后的系统中,还观察到了全光类电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)和Fano线型现象,并且能产生单模和多模拉曼激光,使得该方法具有重要应用价值。(2)首次提出采用泵浦-探测方法(pump-probe method,PPM)来快速高精度地测量基于回音壁腔的光学材料热弛豫时间。建立相关理论模型,通过研究材料自发热弛豫过程中的透射谱响应特征,得到热弛豫时间。PPM测量方法能够不受激光参数、耦合情况等因素影响,测量精度高达到10-8,且输入激光功率低至11.816μW就能够作出响应并得到结果。(3)设计和研究了一种利用不对称光热效应的系统实现全光非互易性传输的方案。从一侧输入的激光由于二氧化硅腔的共振吸收而影响聚二甲基硅氧烷腔(Polydimethylsiloxane,PDMS)的光热效应热展宽过程,使得正向反向传输特性变得不一致。实验上我们实现了非互易性传输比率高达22d B,输入功率低至179.42μW,波导插入损耗小于0.1d B的效果,该方案简单易行,便于集成和应用。(4)提出借助光热扫描方法和拉曼增益手段,来实现和控制一个频率固定的探测光的振铃(ringing)效应。在理论和实验上系统地研究了泵浦光扫描频率和拉曼增益系数这两种方法对探测光振铃强度的影响,同时我们在实验上展示了使用频率固定的探测光的振铃响应对外界环境具有抗干扰的能力,这使得该方法为基于探测光振铃效应的瞬态传感等应用提供了更灵活稳定的特性。