光學(xué)微球諧振腔與石墨烯

1、題目微球腔倏逝場與石墨烯的相互作用學(xué)院理學(xué)院專業(yè)名稱光信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)生學(xué)號2011302870學(xué)生姓名單醇煦指導(dǎo)老師甘雪濤畢業(yè)時間2015年6月本科畢業(yè)設(shè)計論文題 目 微球腔倏逝場與石墨烯的相互作用專業(yè)名稱 光信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)生姓名 單醇煦指導(dǎo)教師 甘雪濤 副教授畢業(yè)時間 2015年6月設(shè)計論文畢業(yè) 任務(wù)書1、 題目微球腔倏逝場與石墨烯的相互作用二、研究主要內(nèi)容通過機(jī)械剝離方法制備石墨烯，掌握石墨烯轉(zhuǎn)移技術(shù)并搭建所需轉(zhuǎn)移平臺，利用該技術(shù)將石墨烯集成到微球諧振腔上，并用光學(xué)測量手段對轉(zhuǎn)移效果進(jìn)行表征，研究微球腔倏逝場與石墨烯的相互作用。三、主要技術(shù)指標(biāo) 1. 利用機(jī)械剝離方法在不同基底材料上制

2、備出具有不同層數(shù)的石墨烯，包括二氧化硅、有機(jī)聚合物薄膜（有機(jī)玻璃）等； 2. 利用熔融拉錐機(jī)以及光纖熔接機(jī)等儀器設(shè)備拉制微納光纖以及制作玻璃微球諧振腔，并將二者進(jìn)行耦合以表征微球諧振模式。 3. 利用探針實(shí)驗平臺將石墨烯薄層轉(zhuǎn)移到微球諧振腔表面赤道線部分，成功集成石墨烯后將微球諧振腔與微納光纖再次耦合，并進(jìn)行光學(xué)表征。四、進(jìn)度和要求第一學(xué)期-第二學(xué)期第2周：閱讀二維層狀材料的制備及轉(zhuǎn)移方面的相關(guān)文獻(xiàn)，撰寫開題報告；第3-13周：利用不同方法和手段制備并轉(zhuǎn)移石墨烯，將石墨烯轉(zhuǎn)移至微球諧振腔上并進(jìn)行光學(xué)表征；第14-16周：完成論文的撰寫，并做好論文答辯的準(zhǔn)備。五、主要參考書及參考資料1 Novo

3、selov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science, 2004, 306(5696): 666-669.2 Gan X. T., Shiue. R. J, Mak. K. F., et al. High-contrast electro-optic modulation of a photonic crystal nanocavity by electrical gating of graphene. Nano Lett., 2

4、013, 13(2): 691-696.學(xué)生學(xué)號_學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師_系主任 3 本科畢業(yè)設(shè)計論文摘要自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，它因獨(dú)特的二維單原子層結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)以及熱學(xué)性能，成為當(dāng)前納米材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在光學(xué)領(lǐng)域，石墨烯的超寬帶光學(xué)響應(yīng)和超高載流子遷移率使得多種新穎光學(xué)性質(zhì)的揭示和新型光電器件的開發(fā)成為可能。本文實(shí)驗研究了石墨烯的多種制備和轉(zhuǎn)移方法，進(jìn)一步將石墨烯與微球諧振腔相集成，并對集成器件進(jìn)行了光學(xué)表征。實(shí)驗過程中積累的技術(shù)以及方法為實(shí)驗室后續(xù)石墨烯光學(xué)性質(zhì)研究以及對應(yīng)光電器件開發(fā)奠定了一定的基礎(chǔ)。本文的主要研究內(nèi)容有： 1. 利用機(jī)械剝離法制作了面積較大（邊長大于

5、80m）的少數(shù)層（1-5層）石墨烯。 2. 利用步進(jìn)機(jī)、氫氧發(fā)生器等儀器拉制了直徑低于2m的微納光纖；利用光纖熔接機(jī)電弧放電燒制了直徑大于80m的石英微球；搭建微操作實(shí)驗平臺并利用該平臺將微納光纖倏逝波耦合進(jìn)微球諧振腔內(nèi)，記錄諧振光譜。 3. 利用探針實(shí)驗平臺將制備好的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至微球諧振腔表面并覆蓋赤道位置；并利用微納光纖與微球諧振腔再次耦合，記錄光譜并與未集成石墨烯時的微球諧振光譜進(jìn)行對比分析。 4. 由理論出發(fā)，定量分析微球諧振腔倏逝場與石墨烯之間的相互作用。關(guān)鍵詞：石墨烯，微納光纖，微球諧振腔Interaction between evanescent fields of micr

6、osphere and grapheneABSTRACTGraphene, since it was discovered, has become one of the hot spots in the research field of nano-materials, relying on its unique two-dimensional single-atomic structure and excellent electrical, optical, mechanical and thermal properties. In the field of optics, graphene

7、s ultra-broadband optical response and ultrafast carrier mobility allows the developments of a variety of novel optical properties and new optoelectronic devices. This thesis first experimentally studies methods for preparing and transferring graphene. Then, the integration and optical characterizat

8、ion of graphene and silica microsphere are investigated. The obtained techniques and methods during the experiments could prepare fundamentals for the research on optical properties and optoelectronic devices of layered materials in the laboratory. The main contents are as follows:1. Obtaining few-l

9、ayer graphene (1-5 layers) with large area (diameter lareger than 80 m) using micromechanical exfoliation method.2. Fabricating micro-nanofiber thinner than 2m with tools such as stepper machine and oxyhydrogen machine; Obtaining silicon microsphere with diameter longer than 80m using optical fiber

10、fusion splicer; Coupling both the micro-nanofiber and silicon microsphere on the experimental platform and measuring the optical spectra.3. Integrating graphene flakes onto the equator of the silica microsphere; Coupling the micro-nanofiber and silicon microsphere to measure the transmission charact

11、eristics.4. Theoretically analyzing the interaction between graphene and the evanescent fields of the microsphere. KEY WORDS: graphene, micro-nano fiber, silica microsphereIV目錄摘要IABSTRACTII第一章 緒論11.1 石墨烯概述11.1.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)11.1.2 石墨烯的基本性質(zhì)21.2 石墨烯及其光電器件31.2.1 光調(diào)制器31.2.2 光電探測器31.2.3 超快鎖模光纖激光器31.2.4 透明導(dǎo)體41.

12、3 增強(qiáng)光與石墨烯相互作用的方法41.4 微球諧振腔概述51.4.1 光學(xué)微球諧振腔簡介51.4.2 光學(xué)微球諧振腔回廊模及其特點(diǎn)51.4.3 諧振原理61.4.4 品質(zhì)因數(shù)Q71.4.5 自由光譜范圍91.5 論文主要工作9第二章 石墨烯的制備與轉(zhuǎn)移102.1 機(jī)械剝離石墨烯于不同基底102.2 機(jī)械剝離制得石墨烯的轉(zhuǎn)移112.2.1 基于PMMA以及PVA有機(jī)薄膜基底的石墨烯轉(zhuǎn)移辦法112.2.2 基于PPC有機(jī)薄膜基底的石墨烯轉(zhuǎn)移辦法11第三章 石墨烯與微球的集成以及光學(xué)表征143.1 微球諧振腔及微納光纖的制作及其相互耦合143.1.1 微球諧振腔及微納光纖的制作143.1.2 微球諧

13、振腔的耦合方式153.1.3 微球諧振腔與微納光纖的耦合系統(tǒng)分析163.2 微球諧振腔與石墨烯的集成及其光學(xué)表征183.3 碳納米管與微球諧振腔的集成及其光學(xué)表征203.4 微球諧振腔集成石墨烯前后光學(xué)仿真21第四章 總結(jié)與展望234.1 工作總結(jié)234.2 展望23參考文獻(xiàn)24致 謝28III1第1章 緒論碳元素豐富存在于自然界中，對于有機(jī)生物體來說，它是必不可少的元素之一，它是各種復(fù)雜分子，比如脂肪，類固醇，碳?xì)浠衔?，有機(jī)溶劑等的基本構(gòu)造單元。碳的外層價電子層有四個電子，所以碳元素能形成多種晶體結(jié)構(gòu)，比如最堅硬的金剛石以及最軟的石墨。在近二十年來，多種新型碳基材料的發(fā)現(xiàn)，如1985年美國

14、科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的富勒烯1和1991年日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的碳納米管2，使碳納米材料一直處于科學(xué)界的前沿領(lǐng)域并且在世界范圍內(nèi)引起持續(xù)的研究熱潮3-10。2004年由英國曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家Geim及Novoselov等人發(fā)現(xiàn)的二維碳原子晶體-石墨烯11,12，更是推翻了嚴(yán)格二維晶體無法在有限溫度下存在的理論，對凝聚態(tài)物理的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。石墨烯的發(fā)現(xiàn)，不僅豐富了納米碳材料家族，形成了從零維的富勒烯，到一維碳納米管，到二維石墨烯再到三維金剛石的完整體系，其獨(dú)有的納米結(jié)構(gòu)及出色的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)及光學(xué)性能，使石墨烯材料的開發(fā)和研究成為繼碳納米管之后又一個國際研究熱點(diǎn)13-18。由于石墨烯優(yōu)異的性能以及可加

15、工性、成本低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，使石墨烯在能源、材料、光電子、生物醫(yī)藥等各方面具有重要的應(yīng)用價值，可望在國際新材料領(lǐng)域掀起一場新的技術(shù)革命19-24。1.1 石墨烯概述1.1.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化連接形成的單原子層二維晶體，碳原子規(guī)整的排列于蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單元之中。每個碳原子除了以鍵與其他三個碳原子相連之外，剩余的電子與其他碳原子的電子形成離域大鍵，電子可在此區(qū)域內(nèi)自由移動，從而使石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能。同時，這種緊密堆積的蜂窩狀結(jié)構(gòu)也是構(gòu)造其他碳材料的基本單元，如圖1.1-1所示，單原子層的石墨烯可以包裹形成零維的富勒烯，單層或者多層的石墨烯可以卷曲形成單壁或者多壁

16、的碳納米管25。圖 1.1-1 石墨烯：其他石墨結(jié)構(gòu)碳材料的基本構(gòu)造單元，可包裹形成零維富勒烯，卷曲形成一維碳納米管，也可堆疊形成三維的石墨。261.1.2 石墨烯的基本性質(zhì)石墨烯獨(dú)有的單原子層結(jié)構(gòu)，決定了它擁有許多優(yōu)異的物理性質(zhì)。如前所述，石墨烯中的每個碳原子都有一個未成鍵的電子，這些電子可形成與平面垂直的軌道，電子可在這種長程軌道中自由移動，從而賦予了石墨烯出色的導(dǎo)電性能。研究表明室溫下載流子在石墨烯中的遷移率可達(dá)到15000cm2/(V·s)，相當(dāng)于光速的1/30026，在特定條件，如液氦的溫度下，更是可達(dá)到250000cm2/(V·s)27，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他半導(dǎo)體材料，

17、如銻化銦、砷化鎵、硅半導(dǎo)體等。這使得石墨烯中電子的性質(zhì)和相對論性的中微子非常相似，且電子在晶格中的移動是無障礙的，不會發(fā)生散射，使其具有優(yōu)良的電子傳輸性質(zhì)。同時，石墨烯獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)還使其表現(xiàn)出許多奇特的電學(xué)性質(zhì)，比如室溫量子霍爾效應(yīng)等28,29。由于石墨烯中的每個碳原子均與相鄰的三個碳原子結(jié)合成很強(qiáng)的鍵，因此石墨烯同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。最近，哥倫比亞大學(xué)科學(xué)家利用原子力顯微鏡直接測試了單層石墨烯的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)石墨烯的楊氏模量約為1100GPa，斷裂強(qiáng)度更是達(dá)到了130GPa，比最好的鋼鐵還要高100倍30。石墨烯同樣是一種優(yōu)良的熱導(dǎo)體。因為在未摻雜石墨中載流子密度較低，因此石墨烯的傳熱

18、主要是靠聲子的傳遞，而電子運(yùn)動對石墨烯的導(dǎo)熱可以忽略不計。其導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5000W/(m·K),優(yōu)于碳納米管，更是比一些常見金屬，如金、銀、銅等高10倍以上31-32。除了優(yōu)異的傳導(dǎo)性能及力學(xué)性能之外，石墨烯還具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，例如，由于具有零帶隙和線性色散的電子能帶結(jié)構(gòu)，石墨烯對從可見光至中紅外波段的光輻射具有平坦的吸收率（2.3%）33，如圖1.1-2(a)中所示，且該吸收行為可以通過調(diào)節(jié)其費(fèi)米能級進(jìn)行有效調(diào)控34；另一方面，由于狄拉克點(diǎn)附近非常高的電子態(tài)密度，石墨烯在與低頻光子相互作用時表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性響應(yīng)，現(xiàn)已證實(shí)石墨烯有高的三階非線性35，支持強(qiáng)烈的四波混頻等非線性過程

19、；另外，當(dāng)受到超快光脈沖泵浦時,石墨烯易達(dá)到飽和吸收36（如圖1.1-2(b)所示），或輻射寬帶熱熒光37。此外，單層石墨烯在可見光區(qū)的透過率達(dá)97%以上。這些特性使石墨烯在納米器件、傳感器、儲氫材料、復(fù)合材料、場發(fā)射材料等重要領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。圖 1.1-2 (a) 石墨烯的線性光吸收特性34；(b) 石墨烯的非線性飽和吸收特性371.2 石墨烯及其光電器件石墨烯在室溫下超高的電子遷移率和超寬的吸收光譜以及強(qiáng)烈的非線性等性質(zhì)，使其自成功制備以來逐漸被人們重視，并成功應(yīng)用到了光電器件上，包括光調(diào)制器、探測器、超快鎖模激光器以及透明電極等。1.2.1 光調(diào)制器與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，石墨烯不

20、僅具有高載波移動性和較大的光學(xué)帶寬等特性，還具有高兼容性、低成本以及強(qiáng)大的調(diào)制能力，這些都是高性能光學(xué)調(diào)制器必不可少的功能。最近，通過在硅-氧化物波導(dǎo)上集成單層石墨烯，Liu等得到了動態(tài)響應(yīng)高達(dá)1.2GHz、覆蓋帶寬從1350nm至1600nm的石墨烯調(diào)制器38；為了增強(qiáng)石墨烯與光場的相互作用，Gan39等通過在一個平板光子晶體腔體內(nèi)集成石墨烯場效應(yīng)管，得到了調(diào)制深度超過10dB的石墨烯調(diào)制器。1.2.2 光電探測器傳統(tǒng)光電探測器大多基于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，它們的性能會受到材料固有屬性的限制。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體相比，石墨烯沒有帶隙，可吸收較大波長范圍的光。此外，異常高的載流子遷移率使石墨烯成為超快光電

21、探測器的理想材料。Xia40等利用機(jī)械剝離的石墨烯制備出了第一個石墨烯光電探測器，理論帶寬可高于500GHz；Mueller41等在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的不對稱叉指電極(MGM)結(jié)構(gòu)的石墨烯探測器。為了增強(qiáng)光吸收，將石墨烯光電探測器與硅波導(dǎo)集成，在不犧牲高響應(yīng)率和寬光譜帶寬的情況下，極大地增強(qiáng)了光探測能力42。1.2.3 超快鎖模光纖激光器被動鎖模光纖激光器的工作原理是：可飽和吸收鏡的非線性光學(xué)吸收特性使腔內(nèi)脈沖相位鎖定，實(shí)現(xiàn)相干疊加；對脈沖進(jìn)行壓縮、整形后，輸出超短脈沖激光。非線性飽和吸收材料的關(guān)鍵要求是響應(yīng)時間快、非線性強(qiáng)、波長范圍寬、光損耗低以及易于光學(xué)系統(tǒng)集成等。石墨烯能帶的線性色散和高

22、飽和吸收的泡利不相容原理結(jié)合，飽和恢復(fù)時間極短，使其成為高效的可飽和吸收體。Bao43等在摻鉺、摻鐿光纖鎖模激光器方面開展了一系列研究。1.2.4 透明導(dǎo)體透明導(dǎo)體是觸摸屏和太陽能電池等對表面電阻和高透明度要求較高器件的核心部分。傳統(tǒng)透明導(dǎo)體由高度摻雜的半導(dǎo)體氧化物組成，例如氧化銦錫(ITO)。但是，機(jī)械的脆性、銦元素的短缺及擴(kuò)散污染等因素，限制了傳統(tǒng)透明導(dǎo)體的應(yīng)用。石墨烯由于其高度透光性、小的薄膜電阻等特性，在作為透明導(dǎo)電薄膜上充分發(fā)揮了其潛力與優(yōu)勢。石墨烯與硅、金屬和碳納米管組成的復(fù)合材料，可以作為透明導(dǎo)體薄膜。雖然石墨烯已經(jīng)被應(yīng)用于多種光學(xué)器件上，但由于石墨烯厚度小于0.4nm，單次通過

23、的光波無法與其進(jìn)行有效地相互作用，限制了器件性能的進(jìn)一步提高。因此，如何有效增強(qiáng)石墨烯與光場相互作用，成為石墨烯光電子學(xué)發(fā)展的一個挑戰(zhàn)。1.3 增強(qiáng)光與石墨烯相互作用的方法在光譜的某些波段，光與石墨烯的相互作用相當(dāng)弱，光垂直入射到石墨烯表面時，石墨烯載流子將發(fā)生帶間躍遷到導(dǎo)帶，從而石墨烯表現(xiàn)出一定的光導(dǎo)率。而石墨烯的光吸收率是由光導(dǎo)的實(shí)部決定，實(shí)驗測得其常數(shù)值-2.3，這極大地限制了石墨烯在光電探測器件中的應(yīng)用。因此，如何增強(qiáng)光與石墨烯之間的相互作用，從而提高石墨烯在光譜某些波段的吸收率有著極其重要的意義。在光諧振腔中，光能量密度是和品質(zhì)因數(shù)Q與共振模體積V的比值Q/V成正比的。而二維光子晶體

24、納米腔尤其具備極高的Q值（上限可達(dá)106）以及極小的模式體積（波長的立方），這些都使得它能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)的光耦合效應(yīng)。在雙總線波導(dǎo)集成石墨烯的結(jié)構(gòu)中，相互作用長度很長從而使帶寬較寬的光譜吸收得以實(shí)現(xiàn)。對于光波導(dǎo)耦合而言，首先，由于光波導(dǎo)Si或SiO2與空氣之間存在很大的折射率差，使得光場被緊緊地約束在Si波導(dǎo)中，從而可以把器件做得更小，將光能量場密度增大；其次，微納光纖作為典型的微納光波導(dǎo)，具有低損耗、強(qiáng)倏逝場以及色散參量可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。這使得該辦法成為增強(qiáng)光與石墨烯相互作用眾多辦法中不可或缺的一種。另外，采用微納光纖微環(huán)諧振腔與微納光纖的耦合或微球諧振腔與微納光纖的耦合作為增強(qiáng)光與石墨烯相互作用的載體

25、。而本文實(shí)驗就采用了微球諧振腔與微納光纖的耦合實(shí)現(xiàn)光與石墨烯的作用放大。增強(qiáng)光與石墨烯相互作用的辦法還有很多，除上述辦法外常用的已報道辦法還有采用法布里-珀羅腔、法諾共振、表面等離子體共振等為載體實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)效果。1.4 微球諧振腔概述光學(xué)微球腔由于其特有的回音壁模式(Whispering Gallery Modem,WGM)，使其具有極高的品質(zhì)因數(shù)、極低的模式體積。作為一種新型的光學(xué)諧振腔，人們對其發(fā)展前景非常的看好，特別是在光信息技術(shù)領(lǐng)域，新型激光器件、光學(xué)傳感器等領(lǐng)域，并已經(jīng)得到初步的應(yīng)用。目前對微球諧振腔的研究大多還停留在實(shí)驗階段，在許多方面還沒有成熟的理論分析與計算。對微球腔的場進(jìn)行分析

26、并研究其特性，將對微球腔的進(jìn)一步的推廣應(yīng)用，有著非常重要的意義。1.4.1 光學(xué)微球腔簡介光學(xué)微腔一般是指直徑介于幾微米至幾百微米之間的光學(xué)介電諧振器，通常使用的材料是二氧化硅等光學(xué)玻璃，微腔的類型有多邊棱鏡、微型圓柱、圓盤、圓環(huán)、球體等類型。近年來，人們對微球腔的研究日益增多，主要是因為光學(xué)微球腔具有的極高品質(zhì)因數(shù)和極小模式體積。在大容量、超高速信息處理的低功率運(yùn)轉(zhuǎn)、高密度集成的微型發(fā)光元件及開關(guān)元件的領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)高性能微型元件的關(guān)鍵問題之一，就是設(shè)法把光高效的封閉在微小空間內(nèi)。一般而言，由于光的波動性，元件的容積越小，封閉光的效率就越低。例如，由兩塊反射鏡相向組成的法布里珀羅型光共振器，在實(shí)

27、驗室里用的氬離子激光器的光共振器，其品質(zhì)因數(shù)可以達(dá)到105以上，但是要使其尺寸降到微米量級，就難以做到了。而光學(xué)微球腔卻可以做到這一點(diǎn)，當(dāng)將微球置于低于微球介質(zhì)折射率的媒質(zhì)中時，光波在微球內(nèi)以大于臨界角的方向上不斷的全反射，從而被約束在球內(nèi)。繞行的光波滿足一定的相位匹配時，就可以互相疊加增強(qiáng)，形成在微球腔傳播的本征模。人們把這種在微球腔內(nèi)所特有的本征模，定義為回廊模。正是因為回廊模的存在，使光學(xué)微球腔有了極高品質(zhì)因數(shù)和極小模式體積。1.4.2 光學(xué)微球腔回廊模及其特點(diǎn)回廊模（Whispering Gallery Modem,WGM,或者WG），又稱回音壁模式，名稱來源是根據(jù)位于中國北京的天壇中

28、存在的一個物理現(xiàn)象，在天壇有一個回音壁的景點(diǎn)，如果一個人站在東配殿的墻下面朝北墻輕聲說話，而另一個人站在西配殿的墻下面朝北墻輕聲說話，兩個人把耳朵靠近墻，即可清楚地聽見遠(yuǎn)在另一端對方的聲音，而且說話的聲音回音悠長。這雖然是聲波的傳播，卻與微球中的光波傳播有著類似的特征。正是由于如此，英國的物理學(xué)家 J.W.S.Rayleigh（18421919）在對這種光波進(jìn)行研究后，將這種球形介質(zhì)中的共振模稱為 “回音壁模式”或者“回廊?！?。用幾何光學(xué)的全反射理論只能定性的解釋回音壁模式，而不能作出數(shù)值上的分析，特別是對微球腔中的光場分布進(jìn)行分析，必須借助電磁理論對場進(jìn)行分析。按照電磁理論的解釋，就是電磁波

29、在球形諧振腔會發(fā)生散射，人們習(xí)慣稱之為Mie散射。由于光學(xué)微球腔特有的回音壁模式而使其具有一般諧振腔所沒有的一些特殊優(yōu)點(diǎn)。由于光場大多被封閉在球內(nèi)，球外的光場為近場，是局限于球表面附近的倏逝波（Evanescent Wave）。它是一種非傳播波，光場的振幅在矢徑方向指數(shù)下降，因此從球內(nèi)透出到球外的平均能流為零。這就使回音壁模式下的微球具有極高的品質(zhì)因數(shù)和極小的模式體積，它在線性和非線性光譜中存在非常窄的共振峰值。這些峰值的波長，即共振模的本征波長僅取決于介電微球的尺寸和折射率，這就為非線性、量子光學(xué)等現(xiàn)象提供了條件，也為光子學(xué)器件的發(fā)展提供了新的可能。V. B. Braginsky44等人采用

30、直徑幾百微米的玻璃微球，品質(zhì)因數(shù)（Q）值達(dá)到108，成功地觀測到閾值很低的光穩(wěn)定性。他們指出，若能利用回廊模非常高的Q值，就能把閾值降到幾個光子的水平。球的尺寸越大，由衍射效應(yīng)產(chǎn)生的漏光相對減小，越是比較接近上述幾何光學(xué)模型。1.4.3 諧振原理以橫電型波（TE型波）為例說明WG模式的諧振原理（見圖1.4-1）。設(shè)折射率為ns、半徑為R的介電微球位于真空中。以微球中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，在球坐標(biāo)(r,0,2)下，WG模式的電磁波場可由Debye勢函數(shù)(r,)表示為：(1.4-1)(1.4-2)其中為連帶勒讓德函數(shù)，與為球貝塞爾函數(shù)，a為系數(shù)，k為真空中光波的波數(shù)，R為微球半徑。圖 1.4-1 球坐標(biāo)系

31、定義及基本W(wǎng)G模式傳播方向以上由Debey勢函數(shù)表示的場分布比較復(fù)雜。Little等討論了場的偏振方向?qū)τ谇蜃鴺?biāo)軸為常數(shù)的情況，得出在赤道附近(l>>-2)場的分布，經(jīng)過簡化，它可以近似表述為：(1.4-3)(1.4-4)其中m>>1，Ns為歸一化系數(shù)，為哈密頓多項式，系數(shù)。WG模式下的光波傳播可以理解為：光在微球的內(nèi)表面上不斷全反射，從而被約束在球內(nèi)沿著球的大圓繞行，同時為了在繞行中光波疊加得到增強(qiáng)，光波繞行一周后應(yīng)滿足一定的相位匹配條件。在1.4-2和1.4-4式中，除時間外其余指數(shù)均可分為兩部分：含純虛指數(shù)的項expjmj和其他實(shí)數(shù)項。純虛指數(shù)項反映了光繞行的特點(diǎn)

32、，而其他項則反映了場振幅的分布。在球外，光場則是局限在球表面附近的倏逝波，公式1.4-4中系數(shù)s正是描述了球外振幅在矢量半徑r方向是指數(shù)下降的。光場的絕大部分能量處于球內(nèi)，球外的能量很微弱，并且由于球外為非傳播波，因此球內(nèi)透出球外的平均能流為0。這就是WG模式下的微球具有極高品質(zhì)因數(shù)和極小模式體積。簡化前后的兩組公式表示的模式場分布可有如下三個一組的參量描述：l、m、q。給定一組參量，則可以由自然邊界條件和介質(zhì)邊界條件決定對應(yīng)的諧振頻率。其中l(wèi)為模式數(shù)，直接與諧振波長相關(guān)，約等于微球大圓上能容納的波長數(shù)(l2Rns/)。q為球貝塞爾函數(shù)jl(knsr)在球內(nèi)的極值數(shù)目，即光波的振幅在徑向的波腹

33、數(shù)目，反映了球內(nèi)光波場的徑向分布。m等于赤道面上場的極大數(shù)目(m=-l,.,0,.l)，描述了光波在球內(nèi)的繞行方向。在相同的l、q情況下，不同的m所代表的模式實(shí)際上對應(yīng)于沿著不同傾斜角的大圓繞行的光波。這些光波的繞行平面與赤道面的夾角不同，而其他方面均相同。m的大小反映了光波繞行矢量在方向上投影分量的大小。而±m代表了繞行方向完全相同的一對光波。因此，對于一個完美的介電微球，諧振頻率僅僅與l、q有關(guān)，相同l、q條件下不同m代表的模式在頻率上可以簡并。1.4.4 品質(zhì)因數(shù)Q光學(xué)微腔的品質(zhì)因數(shù)Q表征腔對耦合進(jìn)入到腔中能量的存儲能力,Q值越高,說明微腔對能量的存儲能力越強(qiáng)。作為微腔的一個重

34、要參量,它決定了微腔在很多方面的應(yīng)用潛力。品質(zhì)因數(shù)Q可表示為:(1.4-5)其中0表示光的角頻率,U指腔內(nèi)存儲的激光能量，W指損耗的激光能量。我們可以利用一個微分方程描述腔體中儲存的能量U：(1.4-6)對上述方程求解，可得：(1.4-7)因此諧振腔內(nèi)光場強(qiáng)度隨時間的變化滿足指數(shù)衰減形式：(1.4-8)對E(t)進(jìn)行傅里葉變換，可求得它的頻譜：(1.4-9)從上式可以看出，腔內(nèi)場的諧振分布為洛倫茲型函數(shù)，諧振模式寬度即為0/Q,因此我們可以根據(jù)模式寬度得到Q值，即Q=0/。微球腔品質(zhì)因數(shù)可以分解為幾項：與回廊模損耗相關(guān)的Qint；與球腔表面不均勻和球腔表面污染物而引起的Raleigh散射損耗相

35、關(guān)的Qsurf以及與腔內(nèi)吸收損耗相關(guān)的Qabs。(1.4-10)根據(jù)參考文獻(xiàn)45，對于由標(biāo)準(zhǔn)通信光纖燒制成的石英微球腔，取其通信波長為1550nm，光纖的包層對于1550nm波長的折射率為1.45，根據(jù)相關(guān)理論46,可知回廊模本征品質(zhì)因數(shù)隨著微球腔幾何尺寸的增大而增大，即由于球面半徑的彎曲而引起的回廊模損耗隨著微球腔幾何尺寸的增大而減小。對于直徑在40m以上的微球腔Qint=10947，表明回廊模引起的損耗是可以忽略的。光線通過均勻的透明媒介（玻璃、清水）時，從側(cè)面是難以看到光線的。如果媒質(zhì)不均勻，有懸浮微粒的渾濁液體，我們便可從側(cè)面清晰地看到光束的軌跡，這是媒質(zhì)的不均勻性使光線朝四面八方散射

36、的結(jié)果。光的散射與不均勻性的尺度有很大關(guān)系。在光波的作用下他們將成為強(qiáng)度差別較大的次波源，而且從他們到空間各點(diǎn)已有不可忽略的光程差，這些次波相干疊加的結(jié)果，光場中的強(qiáng)度分布將與上述均勻媒質(zhì)情形有所不同，這時，除按幾何光學(xué)規(guī)律傳播的光線外，其它方向或多或少也有光線存在，即散射光存在。與球腔表面不均勻和污染物而引起的散射損耗表達(dá)式為48：(1.4-11)其中為球表面不均勻度。根據(jù)上式可知，當(dāng)微球半徑較大時，球表面的不平等引起的散射損耗相對較小。對于直徑在40-100m的微球腔，Qsurf在106-108之間。要降低Qsurf的唯一途徑就是降低表面粗糙度和表面雜質(zhì)。除真空外，沒有一種媒質(zhì)對電磁波是絕

37、對透明的。光的強(qiáng)度隨穿進(jìn)媒質(zhì)的深度而減少的現(xiàn)象，稱為媒質(zhì)對光的吸收49。散射和吸收這兩種情況不同，前者是光被媒質(zhì)中的不均勻性散射到四面八方，后者則是光能被媒質(zhì)吸收后轉(zhuǎn)化為電能。(1.4-12)對于石英球微球，當(dāng)直徑大于40m時，其球腔的品質(zhì)因數(shù)主要取決于球的粗糙度和表面清潔度。當(dāng)球腔越大時，粗糙度和表面清潔度對球腔品質(zhì)因數(shù)的越小。在實(shí)驗中，光波長為633nm時，Gorodetsky等觀測了一個直徑為750m的熔融二氧化硅制成的微球腔，其品質(zhì)因數(shù)Q為(0.8±0.1)×101050。1.4.5 自由光譜范圍對于具有對稱結(jié)構(gòu)的微腔，自由光譜范圍（FSR）表示相鄰角向模的波長（頻

38、率）間隔。光學(xué)微腔可以輕易地實(shí)現(xiàn)較大的FSR。微腔半徑為R，折射率為n，L=2pR時，F(xiàn)SR可表示成: , （1.4-13）但微球腔在實(shí)際制備中由于重力等因素，存在一定偏心率e而非嚴(yán)格的球體，這使得原本對于同nr和l，但不同的m，(2l+1)度簡并的共振波長發(fā)生了分裂，頻率變化為 (1.4-14)此時的自由光譜范圍近似為：(1.4-15)1.5 論文主要工作本文的主要研究了石墨烯的制備與轉(zhuǎn)移，并制備微納光纖和微球諧振腔進(jìn)行耦合和光學(xué)表征；進(jìn)一步將石墨烯集成到微球諧振腔表面，并進(jìn)行光學(xué)表征與集成石墨烯前的光譜做對比，結(jié)合數(shù)值模擬得到石墨烯對光的相互作用。全文共分為四章，以下各章的主要內(nèi)容包括：第

39、2章 ：利用機(jī)械剝離法在不同基底上制作面積較大（邊長大于80m）的薄層（1-5層）石墨烯。第3章 ：制作微納光纖及微球諧振腔，并實(shí)現(xiàn)耦合；集成石墨烯于微球諧振腔并再次實(shí)現(xiàn)耦合，進(jìn)行光學(xué)表征對比并分析數(shù)據(jù)。第4章 ：總結(jié)本文工作，并對下一步工作的開展提出一些建議。第二章 石墨烯的制備與轉(zhuǎn)移2.1 機(jī)械剝離石墨烯于不同基底微機(jī)械剝離法是借助摩擦石墨表面獲得片層，并利用光學(xué)對比度進(jìn)行篩選獲得單層的石墨烯薄片。該方法工藝簡單、成本低廉，制備出來的石墨烯具有良好的晶格結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性，很適合于實(shí)驗室基礎(chǔ)研究。但這種方法具有偶然性，制備出的石墨烯尺寸小且產(chǎn)量低，很難滿足大規(guī)模應(yīng)用要求。本實(shí)驗中，微機(jī)械剝離石

40、墨烯具體辦法是采用美國3M公司制造的特殊膠帶分別粘在大面積石墨層的兩個表面并進(jìn)行剝離，如此重復(fù)該實(shí)驗步驟，最終將進(jìn)行了適當(dāng)剝離次數(shù)的石墨對準(zhǔn)預(yù)先制備好的基底并貼合，按壓后在基底獲得薄厚不等的石墨烯薄層。通過顯微鏡在反射光工作模式下觀察，由于不同層數(shù)的石墨烯對光的反射效果不同，如PMMA/Si基底的條件下，在光學(xué)顯微鏡反射光模式下對PMMA/Si基底上的石墨烯進(jìn)行觀察時，不同層數(shù)的石墨烯片引起的相移和振幅調(diào)制及PMMA層對光的反射（如圖2.1-1所示），使得反射光的相對強(qiáng)度不同，導(dǎo)致不同層數(shù)的石墨烯相對于基底具有不同的襯比度C=I (n1=1)-I (n1)/I (n1=1)，其中I (n1=1

41、)為沒有石墨烯時的反射光強(qiáng)，與PMMA層的厚度有關(guān)，I (n1=1)為有石墨烯時的反射光強(qiáng)，因此可以篩選出層數(shù)較低（1-10層）的石墨烯。Si : n3(l)SiO2 : n2(l)graphene: n1air: n0=1圖 2.1-1 基底上石墨烯的光反射 圖 2.1-2 石墨烯附著在基底上由圖2.1-2可見，在顯微鏡反射工作模式下不同厚度的石墨烯具有不同的襯比度。其中，具有亮白色外觀的是層數(shù)較多的石墨，而具有淺紫色外觀的部分為少數(shù)層石墨烯。不同區(qū)域石墨的具體層數(shù)確認(rèn)，需要進(jìn)一步通過分析拉曼光譜來實(shí)現(xiàn)。2.2 機(jī)械剝離制得石墨烯的轉(zhuǎn)移2.2.1 基于PMMA以及PVA有機(jī)薄膜基底的石墨烯轉(zhuǎn)

42、移辦法機(jī)械剝離制得的石墨烯最終需要向光學(xué)器件表面集成。因此，為便捷地將石墨烯從基底取出并向光學(xué)器件轉(zhuǎn)移，我們采用聚合物薄層作為犧牲層。利用金剛石切割刀將大面積單晶硅片分割成為尺寸大約1cm×1cm的正方形硅片，利用丙酮對其進(jìn)行超聲清洗，取出后利用異丙醇以及甲醇進(jìn)行沖洗確保硅片高度清潔，利用壓縮氮?dú)膺M(jìn)行吹干并用密封容器保存以便后續(xù)使用。利用去離子水作為溶劑，聚乙烯醇（PVA）作為溶質(zhì)，以適當(dāng)?shù)谋壤ù蠹s30mg/100ml）混合并利用磁轉(zhuǎn)子升溫攪拌溶解。同時利用四氫呋喃作為溶劑，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）為溶質(zhì)配制濃度約6的溶液，同樣利用電磁攪拌加速溶解。利用勻膠機(jī)在潔凈硅片表面旋涂

43、PVA溶液，利用電磁爐升溫至80攝氏度蒸干溶劑水，再利用勻膠機(jī)在PVA薄膜表面旋涂PMMA溶液，升溫120攝氏度蒸干溶劑四氫呋喃。其中旋涂速度不同會導(dǎo)致薄膜厚度以及均勻度不同，在多次試驗后最終確定的最佳條件為PVA旋涂轉(zhuǎn)速以2000r/s為最佳，PMMA旋涂轉(zhuǎn)速以2500-3000r/s為最佳。該條件下制作的基底顏色偏紫，在后續(xù)石墨烯的觀察中最佳。由于石墨烯在PMMA薄膜表面作用力較強(qiáng)，因此在該方法中較容易制得層數(shù)較薄面積較大的石墨烯薄層。圖 2.2-1 聚合物犧牲層法轉(zhuǎn)移石墨烯如上圖所示，當(dāng)石墨烯附著在PMMA表面，將基底放置在水面。由于PVA能夠溶解于水中，因此在加熱條件下，PVA迅速溶解

44、，從而硅片于PMMA薄膜分離。PMMA比重低于水因此能夠漂浮在水面。利用中心帶有圓形孔的有機(jī)玻璃片打撈，最終獲得能夠向光學(xué)器件轉(zhuǎn)移的石墨烯薄層。2.2.2 基于PPC有機(jī)薄膜基底的石墨烯轉(zhuǎn)移辦法由于上述辦法轉(zhuǎn)移石墨烯的工藝復(fù)雜，對PVA和PMMA旋涂厚度要求苛刻，成功率較低，比如：PVA薄膜不均導(dǎo)致無法完全溶解分離，或由于硅片自身重力作用將PMMA薄膜以及其表面石墨烯一同帶入水中導(dǎo)致石墨烯污染等等。因此本實(shí)驗中大多數(shù)轉(zhuǎn)移工作采用了基于氯化聚丙酮（PPC）薄膜的轉(zhuǎn)移工藝。實(shí)驗采用丙酮作為溶劑，氯化聚丙酮作為溶質(zhì)，配置濃度為0.125mg/ml的溶液。實(shí)驗初期采用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行轉(zhuǎn)移，即利用單晶硅薄片

45、制作PPC薄膜，如圖2.2-2(a)所示。利用帶有圓孔的美國3M公司膠帶將PPC薄膜從單晶硅表面粘下，如圖2.2-2(b)所示。利用載玻片表面粘貼直徑略微小于膠帶圓孔直徑的圓柱形PDMS為載體，將上述圓孔對準(zhǔn)PDMS下壓從而得到以PDMS為襯底的PPC薄膜，如圖(c)，(d)所示。采用氧化硅為基底制備石墨烯，利用探針試驗臺在顯微鏡下將圓形PDMS對準(zhǔn)目標(biāo)石墨烯調(diào)節(jié)使之與氧化硅表面貼合,如圖(e)。升溫即可將石墨烯由氧化硅表面轉(zhuǎn)移到PPC薄膜表面，如圖(f)所示，從而實(shí)現(xiàn)下一步的轉(zhuǎn)移工作。(a)(b)(c)(d)(e)(f)圖 2.2-2 基于PPC薄膜的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移辦法如圖2.2-2(a)、(b)

46、所示，實(shí)驗利用打孔機(jī)在膠帶中央打孔，并利用該膠帶將硅片表面旋涂制作的PPC薄膜粘下。圖2.2-2(c)、(d)展示了實(shí)驗利用PDMS為襯底將膠帶圓孔對準(zhǔn)下壓的過程，圖(e)、(f)則展示了最終制作結(jié)果。上述工藝不僅工序復(fù)雜，而且存在許多弊端，例如：氧化硅表面與石墨烯作用力較小。因此，膠帶剝離的石墨烯不易附著；利用PPC薄膜從氧化硅表面升溫粘取石墨烯時部分較薄的石墨烯無法粘取，獲取目標(biāo)石墨烯具有較低的成功率；升溫粘取石墨烯后PPC薄膜在與氧化硅表面分離過程中會出現(xiàn)形變，該形變導(dǎo)致后續(xù)轉(zhuǎn)移時目標(biāo)石墨烯在顯微鏡下不同焦距，等等。為解決上述問題，本實(shí)驗對傳統(tǒng)工藝進(jìn)行了改進(jìn)。本實(shí)驗中新的工藝放棄了硅片以

47、及氧化硅片，采用了大小1cm×1cm的潔凈玻璃片旋涂PPC薄膜作為基底。將膠帶撕制的石墨烯直接向PPC表面轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移成功后,如圖2.2-3(a)和(b)所示，利用帶有圓孔膠帶將薄膜粘下，之后與傳統(tǒng)工藝相同，如圖2.2-3(c)和(d)所示，利用PDMS為襯底將PPC薄膜襯于其表面。該工藝大大簡化了工序，提高了制造效率。不僅如此，由于PPC薄膜附著石墨烯能力更強(qiáng)，同時石墨烯轉(zhuǎn)移步驟減少，因此該工藝中獲得大面積薄層石墨烯的效率大大提高。其中，圖2.2-3(e)為顯微鏡在透射工作狀態(tài)下CCD拍攝的圖像，該工藝下制得尺寸達(dá)到110µm以上的石墨烯概率較大。(a)(b)(c)(d)

48、(e)圖 2.2-3 基于PPC薄膜的改進(jìn)轉(zhuǎn)移辦法第三章 石墨烯與微球的集成以及光學(xué)表征3.1 微球諧振腔及微納光纖的制作及其相互耦合3.1.1 微球諧振腔及微納光纖的制作本實(shí)驗中微球諧振腔的制備采用熱熔融的辦法，如圖3.1-1所示。首先，利用步進(jìn)拉錐機(jī)單步拉錐將去涂覆層后的光纖進(jìn)行拉錐，拉錐成功后利用剝線鉗在拉錐后的光纖最細(xì)處剪斷。取下錐形光纖，由光纖錐形部分尖端燒制微球。常用的辦法有利用二氧化碳激光器聚焦加熱光纖到熔融狀態(tài)，在表面張力的作用下，光纖自發(fā)形成標(biāo)準(zhǔn)的玻璃微球。由于激光加熱不易操作，本實(shí)驗中利用了光纖熔接機(jī)手動放電的辦法由高壓電弧加熱熔融錐形光纖尖端燒制微球。該方法不僅成本低、便

49、于操作，更能夠?qū)崿F(xiàn)微球諧振腔尺寸的控制。圖3.1-2所示為實(shí)驗上制備的微納光纖錐以及微球腔。圖 3.1-1 (a)單端拉錐得到的錐形微納光纖；(b)雙端拉錐得到得雙錐形微納光纖；(c)步進(jìn)拉錐機(jī)示意圖，在氫氧焰加熱光纖熔融條件下，步進(jìn)機(jī)單端運(yùn)動拉錐；圖(d)步進(jìn)機(jī)實(shí)物圖；圖(e)光纖熔接機(jī)放電燒制微球?qū)嵨飯D圖 3.1-2 錐形光纖及微球諧振腔本實(shí)驗微納光纖的制備采用了熔融拉錐的方法：首先利用剝線器去除單模光纖先的涂覆層。采用氫氧焰加熱裸光纖，利用步進(jìn)拉錐機(jī)雙步拉錐，最終獲得直徑低于2µm的微納光纖。利用帶有凹口的有機(jī)玻璃板水平靠近光纖并利用紫外固化膠固定。拉制的微納光纖需要連接跳線進(jìn)

50、行損耗檢測，通常損耗低于65（即輸入功率10mW時輸出功率大于3.5mW）的微納光纖即為可用光纖，如圖3.1-3所示。圖 3.1-3 微納光纖3.1.2 微球諧振腔的耦合方式將光耦合進(jìn)微球諧振腔的方式很多，圖3.1-4給出了幾種耦合方式的示意圖，其中(a)為利用微納光纖、(b)為利用光波導(dǎo)、 (c)為利用光學(xué)棱鏡、 (d)為利用光纖拋光切面。(a) (b)(c)(d)圖 3.1-4 (a)微納光纖與微球腔的耦合；(b) 光波導(dǎo)與微球腔的耦合；(c) 棱鏡與微球腔的耦合；(d) 光纖切面與微球腔耦合然而不同的耦合方式可達(dá)到的最大耦合效率不同。由理論計算可以得到，利用光學(xué)棱鏡耦合時,由于其極大的光

51、泄露，能夠達(dá)到的最大耦合效率僅能達(dá)到80，光波導(dǎo)最大耦合效率也并不理想，然而利用微納光纖耦合的最大耦合效率可以達(dá)到95。因此，本文實(shí)驗中采用了雙錐微納光纖與微球諧振腔耦合。3.1.3 微球諧振腔與微納光纖的耦合系統(tǒng)分析如圖3.1-5所示，微球諧振腔與微納光纖的相互耦合利用了當(dāng)微納光纖有光傳播時，在光纖的錐形區(qū)域，會透過包層輻射出較強(qiáng)的倏逝光場，當(dāng)倏逝光場的頻率與微球中赤道面上的本征頻率相等時，絕熱錐形光纖的包層所攜帶的光就會耦合進(jìn)微球，也是通過不斷的全反射產(chǎn)生回音壁模式。這種微納光纖耦合效率高，而且體積緊湊，耦合效率也大為提高，便于集成，可被廣泛應(yīng)用于光纖通信中，如作光源、放大器等，這也是目前

52、微球研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。圖 3.1-5 微球諧振腔與微納光纖的耦合為描述諧振腔與外界耦合的強(qiáng)弱，工程上常常使用耦合系數(shù)定義： (3.1-1)當(dāng)<1時稱欠耦合（或弱耦合）：由于微球諧振腔存在各種損耗，因此微球諧振腔的Q值為一確定的有限值。當(dāng)微納光纖與微球諧振腔的距離比較遠(yuǎn)時，它們之間的耦合非常弱，微納光纖的傳輸模與球內(nèi)的諧振模式幾乎不重疊，即t1,Qc。當(dāng)微納光纖靠近微球諧振腔時，模式重疊區(qū)域增加，耦合效率不斷提高，Qc不斷減少但仍然比微球諧振腔固有品質(zhì)因數(shù)Qs大，投射率T從1逐漸減小到0；=1則稱臨界耦合：當(dāng)微納光纖靠近到微球一定的距離時，使得Qc=Qs時，輸出端的透射率T為零，也就是說所有

53、的輸入功率被耦合進(jìn)微球諧振腔；>1時稱過耦合（或強(qiáng)耦合）：隨著微納光纖進(jìn)一步靠近微球，模場重疊區(qū)域進(jìn)一步增大，Qc不斷減小，此時透射率也逐漸的增大，輸出端對應(yīng)的光功率也將變大。(a)(b)(c)(d)(e)圖 3.1-6 耦合操作的試驗系統(tǒng)。(a)耦合操作系統(tǒng)示意圖；(b)耦合操作系統(tǒng)近景；(c)耦合操作系統(tǒng)示意圖；(d)豎直方向CCD顯微圖；(e)水平方向CCD顯微圖圖3.1-6為用于微球諧振腔耦合微納光纖的操作平臺。該實(shí)驗平臺由豎直及水平方向可移動的兩個顯微鏡、兩個CCD成像儀以及兩個三維移動平臺組成。實(shí)驗過程利用兩個顯微鏡連接計算機(jī)進(jìn)行實(shí)時觀測，利用三維移動臺分別控制微納光纖以及微

54、球諧振腔使微納光纖與微球諧振腔赤道面重合并降低光纖高度使之不斷與微球靠近，觀察光譜儀，確定耦合狀態(tài)。其中圖3.1-6 (d)和（e）為兩個CCD成像系統(tǒng)拍攝得到的耦合效果圖。3.2 微球諧振腔與石墨烯的集成及其光學(xué)表征為實(shí)現(xiàn)光子與石墨烯的相互作用能夠達(dá)到易觀測的強(qiáng)度并且能夠?qū)崿F(xiàn)定量分析，本實(shí)驗采用了微球諧振腔作為光子與石墨烯相互作用的媒介。石墨烯與微球諧振腔的集成利用了探針試驗臺作為操作平臺。在豎直方向利用顯微鏡進(jìn)行實(shí)時觀測，利用三維壓電陶瓷控制移動平臺控制石墨烯的移動，使之與微球諧振腔赤道線重合在同一豎直垂線上，并在豎直方向向下移動接近微球諧振腔。不斷修正石墨烯的水平位置最終貼合。圖 3.2

55、-1 基于PPC薄膜的石墨烯與微球腔集成示意圖(a)(b)(c)(d)(e)(f)圖 3.2-2 石墨烯與微球腔集成的過程圖圖3.2-1為水平方向上觀察石墨烯轉(zhuǎn)移的示意圖。圖3.2-2為豎直方向上顯微鏡下觀察到的轉(zhuǎn)移過程。石墨烯在水平方向不斷修正位置對準(zhǔn)微球諧振腔赤道線并靠近微球諧振腔表面，貼合前的狀態(tài)即為圖(a)所示，由于在同一焦距下能夠同時清楚看到石墨烯及微球諧振腔，此時二者已經(jīng)十分貼近。圖(b)所示為石墨烯繼續(xù)向下移動與微球諧振腔貼合的瞬間，對比圖(a)可明顯看出薄層石墨烯與微球諧振腔的輪廓。圖(c)展示了貼合后開始加熱的狀態(tài)，對比前一刻（圖(b)所示），從微球諧振腔外輪廓的逐漸模糊可以明顯看出PPC薄膜融化的現(xiàn)象。圖(d)為110攝氏度加熱20分鐘后分離載玻片后的狀態(tài)，在低倍率顯微條件下可以明顯看出PPC薄膜的殘留狀況。圖(e)為高倍率放大觀察結(jié)果，石墨烯轉(zhuǎn)移成功但仍然存在PPC的殘留。圖(f)為將轉(zhuǎn)移成功后的微球諧振腔放入三氯甲烷中浸泡12小時后的狀態(tài)，對比圖(e)可以看出，PPC殘留全部溶解，僅剩石墨