光学微球谐振腔与石墨烯课件

1、题目微球腔倏逝场与石墨烯的相互作用学院理学院专业名称光信息科学与技术学生学号2011302870学生姓名单醇煦指导老师甘雪涛毕业时间2015年6月本科毕业设计论文题 目 微球腔倏逝场与石墨烯的相互作用专业名称 光信息科学与技术学生姓名 单醇煦指导教师 甘雪涛 副教授毕业时间 2015年6月设计论文毕业 任务书1、 题目微球腔倏逝场与石墨烯的相互作用二、研究主要内容通过机械剥离方法制备石墨烯，掌握石墨烯转移技术并搭建所需转移平台，利用该技术将石墨烯集成到微球谐振腔上，并用光学测量手段对转移效果进行表征，研究微球腔倏逝场与石墨烯的相互作用。三、主要技术指标 1. 利用机械剥离方法在不同基底材料上制

2、备出具有不同层数的石墨烯，包括二氧化硅、有机聚合物薄膜（有机玻璃）等； 2. 利用熔融拉锥机以及光纤熔接机等仪器设备拉制微纳光纤以及制作玻璃微球谐振腔，并将二者进行耦合以表征微球谐振模式。 3. 利用探针实验平台将石墨烯薄层转移到微球谐振腔表面赤道线部分，成功集成石墨烯后将微球谐振腔与微纳光纤再次耦合，并进行光学表征。四、进度和要求第一学期-第二学期第2周：阅读二维层状材料的制备及转移方面的相关文献，撰写开题报告；第3-13周：利用不同方法和手段制备并转移石墨烯，将石墨烯转移至微球谐振腔上并进行光学表征；第14-16周：完成论文的撰写，并做好论文答辩的准备。五、主要参考书及参考资料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.学生学号_学生姓名 指导教师_系主任 3 本科毕业设计论文摘要自从石墨烯被发现以来，它因独特的二维单原子层结构和优异的电学、光学、力学以及热学性能，成为当前纳米材料领域的研究热点之一。在光学领域，石墨烯的超宽带光学响应和超高载流子迁移率使得多种新颖光学性质的揭示和新型光电器件的开发成为可能。本文实验研究了石墨烯的多种制备和转移方法，进一步将石墨烯与微球谐振腔相集成，并对集成器件进行了光学表征。实验过程中积累的技术以及方法为实验室后续石墨烯光学性质研究以及对应光电器件开发奠定了一定的基础。本文的主要研究内容有： 1. 利用机械剥离法制作了面积较大（边长大于

5、80m）的少数层（1-5层）石墨烯。 2. 利用步进机、氢氧发生器等仪器拉制了直径低于2m的微纳光纤；利用光纤熔接机电弧放电烧制了直径大于80m的石英微球；搭建微操作实验平台并利用该平台将微纳光纤倏逝波耦合进微球谐振腔内，记录谐振光谱。 3. 利用探针实验平台将制备好的石墨烯薄膜转移至微球谐振腔表面并覆盖赤道位置；并利用微纳光纤与微球谐振腔再次耦合，记录光谱并与未集成石墨烯时的微球谐振光谱进行对比分析。 4. 由理论出发，定量分析微球谐振腔倏逝场与石墨烯之间的相互作用。关键词：石墨烯，微纳光纤，微球谐振腔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目录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 石墨烯概述11.1.1 石墨烯的结构11.1.2 石墨烯的基本性质21.2 石墨烯及其光电器件31.2.1 光调制器31.2.2 光电探测器31.2.3 超快锁模光纤激光器31.2.4 透明导体41.

12、3 增强光与石墨烯相互作用的方法41.4 微球谐振腔概述51.4.1 光学微球谐振腔简介51.4.2 光学微球谐振腔回廊模及其特点51.4.3 谐振原理61.4.4 品质因数Q71.4.5 自由光谱范围91.5 论文主要工作9第二章 石墨烯的制备与转移102.1 机械剥离石墨烯于不同基底102.2 机械剥离制得石墨烯的转移112.2.1 基于PMMA以及PVA有机薄膜基底的石墨烯转移办法112.2.2 基于PPC有机薄膜基底的石墨烯转移办法11第三章 石墨烯与微球的集成以及光学表征143.1 微球谐振腔及微纳光纤的制作及其相互耦合143.1.1 微球谐振腔及微纳光纤的制作143.1.2 微球谐

13、振腔的耦合方式153.1.3 微球谐振腔与微纳光纤的耦合系统分析163.2 微球谐振腔与石墨烯的集成及其光学表征183.3 碳纳米管与微球谐振腔的集成及其光学表征203.4 微球谐振腔集成石墨烯前后光学仿真21第四章 总结与展望234.1 工作总结234.2 展望23参考文献24致 谢28III1第1章 绪论碳元素丰富存在于自然界中，对于有机生物体来说，它是必不可少的元素之一，它是各种复杂分子，比如脂肪，类固醇，碳氢化合物，有机溶剂等的基本构造单元。碳的外层价电子层有四个电子，所以碳元素能形成多种晶体结构，比如最坚硬的金刚石以及最软的石墨。在近二十年来，多种新型碳基材料的发现，如1985年美国

14、科学家发现的富勒烯1和1991年日本科学家发现的碳纳米管2，使碳纳米材料一直处于科学界的前沿领域并且在世界范围内引起持续的研究热潮3-10。2004年由英国曼彻斯特大学科学家Geim及Novoselov等人发现的二维碳原子晶体-石墨烯11,12，更是推翻了严格二维晶体无法在有限温度下存在的理论，对凝聚态物理的发展产生了深远的影响。石墨烯的发现，不仅丰富了纳米碳材料家族，形成了从零维的富勒烯，到一维碳纳米管，到二维石墨烯再到三维金刚石的完整体系，其独有的纳米结构及出色的力学、热学、电学及光学性能，使石墨烯材料的开发和研究成为继碳纳米管之后又一个国际研究热点13-18。由于石墨烯优异的性能以及可加

15、工性、成本低廉等一系列优点，使石墨烯在能源、材料、光电子、生物医药等各方面具有重要的应用价值，可望在国际新材料领域掀起一场新的技术革命19-24。1.1 石墨烯概述1.1.1 石墨烯的结构石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中。每个碳原子除了以键与其他三个碳原子相连之外，剩余的电子与其他碳原子的电子形成离域大键，电子可在此区域内自由移动，从而使石墨烯具有优异的导电性能。同时，这种紧密堆积的蜂窝状结构也是构造其他碳材料的基本单元，如图1.1-1所示，单原子层的石墨烯可以包裹形成零维的富勒烯，单层或者多层的石墨烯可以卷曲形成单壁或者多壁

16、的碳纳米管25。图 1.1-1 石墨烯：其他石墨结构碳材料的基本构造单元，可包裹形成零维富勒烯，卷曲形成一维碳纳米管，也可堆叠形成三维的石墨。261.1.2 石墨烯的基本性质石墨烯独有的单原子层结构，决定了它拥有许多优异的物理性质。如前所述，石墨烯中的每个碳原子都有一个未成键的电子，这些电子可形成与平面垂直的轨道，电子可在这种长程轨道中自由移动，从而赋予了石墨烯出色的导电性能。研究表明室温下载流子在石墨烯中的迁移率可达到15000cm2/(V·s)，相当于光速的1/30026，在特定条件，如液氦的温度下，更是可达到250000cm2/(V·s)27，远远超过其他半导体材料，

17、如锑化铟、砷化镓、硅半导体等。这使得石墨烯中电子的性质和相对论性的中微子非常相似，且电子在晶格中的移动是无障碍的，不会发生散射，使其具有优良的电子传输性质。同时，石墨烯独特的电子结构还使其表现出许多奇特的电学性质，比如室温量子霍尔效应等28,29。由于石墨烯中的每个碳原子均与相邻的三个碳原子结合成很强的键，因此石墨烯同样表现出优异的力学性能。最近，哥伦比亚大学科学家利用原子力显微镜直接测试了单层石墨烯的力学性能，发现石墨烯的杨氏模量约为1100GPa，断裂强度更是达到了130GPa，比最好的钢铁还要高100倍30。石墨烯同样是一种优良的热导体。因为在未掺杂石墨中载流子密度较低，因此石墨烯的传热

18、主要是靠声子的传递，而电子运动对石墨烯的导热可以忽略不计。其导热系数高达5000W/(m·K),优于碳纳米管，更是比一些常见金属，如金、银、铜等高10倍以上31-32。除了优异的传导性能及力学性能之外，石墨烯还具有优异的光学性质，例如，由于具有零带隙和线性色散的电子能带结构，石墨烯对从可见光至中红外波段的光辐射具有平坦的吸收率（2.3%）33，如图1.1-2(a)中所示，且该吸收行为可以通过调节其费米能级进行有效调控34；另一方面，由于狄拉克点附近非常高的电子态密度，石墨烯在与低频光子相互作用时表现出强烈的非线性响应，现已证实石墨烯有高的三阶非线性35，支持强烈的四波混频等非线性过程

19、；另外，当受到超快光脉冲泵浦时,石墨烯易达到饱和吸收36（如图1.1-2(b)所示），或辐射宽带热荧光37。此外，单层石墨烯在可见光区的透过率达97%以上。这些特性使石墨烯在纳米器件、传感器、储氢材料、复合材料、场发射材料等重要领域有着广泛的应用前景。图 1.1-2 (a) 石墨烯的线性光吸收特性34；(b) 石墨烯的非线性饱和吸收特性371.2 石墨烯及其光电器件石墨烯在室温下超高的电子迁移率和超宽的吸收光谱以及强烈的非线性等性质，使其自成功制备以来逐渐被人们重视，并成功应用到了光电器件上，包括光调制器、探测器、超快锁模激光器以及透明电极等。1.2.1 光调制器与传统半导体材料相比，石墨烯不

20、仅具有高载波移动性和较大的光学带宽等特性，还具有高兼容性、低成本以及强大的调制能力，这些都是高性能光学调制器必不可少的功能。最近，通过在硅-氧化物波导上集成单层石墨烯，Liu等得到了动态响应高达1.2GHz、覆盖带宽从1350nm至1600nm的石墨烯调制器38；为了增强石墨烯与光场的相互作用，Gan39等通过在一个平板光子晶体腔体内集成石墨烯场效应管，得到了调制深度超过10dB的石墨烯调制器。1.2.2 光电探测器传统光电探测器大多基于传统的半导体材料，它们的性能会受到材料固有属性的限制。与传统半导体相比，石墨烯没有带隙，可吸收较大波长范围的光。此外，异常高的载流子迁移率使石墨烯成为超快光电

21、探测器的理想材料。Xia40等利用机械剥离的石墨烯制备出了第一个石墨烯光电探测器，理论带宽可高于500GHz；Mueller41等在此基础上提出了改进的不对称叉指电极(MGM)结构的石墨烯探测器。为了增强光吸收，将石墨烯光电探测器与硅波导集成，在不牺牲高响应率和宽光谱带宽的情况下，极大地增强了光探测能力42。1.2.3 超快锁模光纤激光器被动锁模光纤激光器的工作原理是：可饱和吸收镜的非线性光学吸收特性使腔内脉冲相位锁定，实现相干叠加；对脉冲进行压缩、整形后，输出超短脉冲激光。非线性饱和吸收材料的关键要求是响应时间快、非线性强、波长范围宽、光损耗低以及易于光学系统集成等。石墨烯能带的线性色散和高

22、饱和吸收的泡利不相容原理结合，饱和恢复时间极短，使其成为高效的可饱和吸收体。Bao43等在掺铒、掺镱光纤锁模激光器方面开展了一系列研究。1.2.4 透明导体透明导体是触摸屏和太阳能电池等对表面电阻和高透明度要求较高器件的核心部分。传统透明导体由高度掺杂的半导体氧化物组成，例如氧化铟锡(ITO)。但是，机械的脆性、铟元素的短缺及扩散污染等因素，限制了传统透明导体的应用。石墨烯由于其高度透光性、小的薄膜电阻等特性，在作为透明导电薄膜上充分发挥了其潜力与优势。石墨烯与硅、金属和碳纳米管组成的复合材料，可以作为透明导体薄膜。虽然石墨烯已经被应用于多种光学器件上，但由于石墨烯厚度小于0.4nm，单次通过

23、的光波无法与其进行有效地相互作用，限制了器件性能的进一步提高。因此，如何有效增强石墨烯与光场相互作用，成为石墨烯光电子学发展的一个挑战。1.3 增强光与石墨烯相互作用的方法在光谱的某些波段，光与石墨烯的相互作用相当弱，光垂直入射到石墨烯表面时，石墨烯载流子将发生带间跃迁到导带，从而石墨烯表现出一定的光导率。而石墨烯的光吸收率是由光导的实部决定，实验测得其常数值-2.3，这极大地限制了石墨烯在光电探测器件中的应用。因此，如何增强光与石墨烯之间的相互作用，从而提高石墨烯在光谱某些波段的吸收率有着极其重要的意义。在光谐振腔中，光能量密度是和品质因数Q与共振模体积V的比值Q/V成正比的。而二维光子晶体

24、纳米腔尤其具备极高的Q值（上限可达106）以及极小的模式体积（波长的立方），这些都使得它能够实现强的光耦合效应。在双总线波导集成石墨烯的结构中，相互作用长度很长从而使带宽较宽的光谱吸收得以实现。对于光波导耦合而言，首先，由于光波导Si或SiO2与空气之间存在很大的折射率差，使得光场被紧紧地约束在Si波导中，从而可以把器件做得更小，将光能量场密度增大；其次，微纳光纤作为典型的微纳光波导，具有低损耗、强倏逝场以及色散参量可调等优点。这使得该办法成为增强光与石墨烯相互作用众多办法中不可或缺的一种。另外，采用微纳光纤微环谐振腔与微纳光纤的耦合或微球谐振腔与微纳光纤的耦合作为增强光与石墨烯相互作用的载体

25、。而本文实验就采用了微球谐振腔与微纳光纤的耦合实现光与石墨烯的作用放大。增强光与石墨烯相互作用的办法还有很多，除上述办法外常用的已报道办法还有采用法布里-珀罗腔、法诺共振、表面等离子体共振等为载体实现增强效果。1.4 微球谐振腔概述光学微球腔由于其特有的回音壁模式(Whispering Gallery Modem,WGM)，使其具有极高的品质因数、极低的模式体积。作为一种新型的光学谐振腔，人们对其发展前景非常的看好，特别是在光信息技术领域，新型激光器件、光学传感器等领域，并已经得到初步的应用。目前对微球谐振腔的研究大多还停留在实验阶段，在许多方面还没有成熟的理论分析与计算。对微球腔的场进行分析

26、并研究其特性，将对微球腔的进一步的推广应用，有着非常重要的意义。1.4.1 光学微球腔简介光学微腔一般是指直径介于几微米至几百微米之间的光学介电谐振器，通常使用的材料是二氧化硅等光学玻璃，微腔的类型有多边棱镜、微型圆柱、圆盘、圆环、球体等类型。近年来，人们对微球腔的研究日益增多，主要是因为光学微球腔具有的极高品质因数和极小模式体积。在大容量、超高速信息处理的低功率运转、高密度集成的微型发光元件及开关元件的领域，实现高性能微型元件的关键问题之一，就是设法把光高效的封闭在微小空间内。一般而言，由于光的波动性，元件的容积越小，封闭光的效率就越低。例如，由两块反射镜相向组成的法布里珀罗型光共振器，在实

27、验室里用的氩离子激光器的光共振器，其品质因数可以达到105以上，但是要使其尺寸降到微米量级，就难以做到了。而光学微球腔却可以做到这一点，当将微球置于低于微球介质折射率的媒质中时，光波在微球内以大于临界角的方向上不断的全反射，从而被约束在球内。绕行的光波满足一定的相位匹配时，就可以互相叠加增强，形成在微球腔传播的本征模。人们把这种在微球腔内所特有的本征模，定义为回廊模。正是因为回廊模的存在，使光学微球腔有了极高品质因数和极小模式体积。1.4.2 光学微球腔回廊模及其特点回廊模（Whispering Gallery Modem,WGM,或者WG），又称回音壁模式，名称来源是根据位于中国北京的天坛中

28、存在的一个物理现象，在天坛有一个回音壁的景点，如果一个人站在东配殿的墙下面朝北墙轻声说话，而另一个人站在西配殿的墙下面朝北墙轻声说话，两个人把耳朵靠近墙，即可清楚地听见远在另一端对方的声音，而且说话的声音回音悠长。这虽然是声波的传播，却与微球中的光波传播有着类似的特征。正是由于如此，英国的物理学家 J.W.S.Rayleigh（18421919）在对这种光波进行研究后，将这种球形介质中的共振模称为 “回音壁模式”或者“回廊模”。用几何光学的全反射理论只能定性的解释回音壁模式，而不能作出数值上的分析，特别是对微球腔中的光场分布进行分析，必须借助电磁理论对场进行分析。按照电磁理论的解释，就是电磁波

29、在球形谐振腔会发生散射，人们习惯称之为Mie散射。由于光学微球腔特有的回音壁模式而使其具有一般谐振腔所没有的一些特殊优点。由于光场大多被封闭在球内，球外的光场为近场，是局限于球表面附近的倏逝波（Evanescent Wave）。它是一种非传播波，光场的振幅在矢径方向指数下降，因此从球内透出到球外的平均能流为零。这就使回音壁模式下的微球具有极高的品质因数和极小的模式体积，它在线性和非线性光谱中存在非常窄的共振峰值。这些峰值的波长，即共振模的本征波长仅取决于介电微球的尺寸和折射率，这就为非线性、量子光学等现象提供了条件，也为光子学器件的发展提供了新的可能。V. B. Braginsky44等人采用

30、直径几百微米的玻璃微球，品质因数（Q）值达到108，成功地观测到阈值很低的光稳定性。他们指出，若能利用回廊模非常高的Q值，就能把阈值降到几个光子的水平。球的尺寸越大，由衍射效应产生的漏光相对减小，越是比较接近上述几何光学模型。1.4.3 谐振原理以横电型波（TE型波）为例说明WG模式的谐振原理（见图1.4-1）。设折射率为ns、半径为R的介电微球位于真空中。以微球中心为坐标原点，在球坐标(r,0,2)下，WG模式的电磁波场可由Debye势函数(r,)表示为：(1.4-1)(1.4-2)其中为连带勒让德函数，与为球贝塞尔函数，a为系数，k为真空中光波的波数，R为微球半径。图 1.4-1 球坐标系

31、定义及基本WG模式传播方向以上由Debey势函数表示的场分布比较复杂。Little等讨论了场的偏振方向对于球坐标轴为常数的情况，得出在赤道附近(l>>-2)场的分布，经过简化，它可以近似表述为：(1.4-3)(1.4-4)其中m>>1，Ns为归一化系数，为哈密顿多项式，系数。WG模式下的光波传播可以理解为：光在微球的内表面上不断全反射，从而被约束在球内沿着球的大圆绕行，同时为了在绕行中光波叠加得到增强，光波绕行一周后应满足一定的相位匹配条件。在1.4-2和1.4-4式中，除时间外其余指数均可分为两部分：含纯虚指数的项expjmj和其他实数项。纯虚指数项反映了光绕行的特点

32、，而其他项则反映了场振幅的分布。在球外，光场则是局限在球表面附近的倏逝波，公式1.4-4中系数s正是描述了球外振幅在矢量半径r方向是指数下降的。光场的绝大部分能量处于球内，球外的能量很微弱，并且由于球外为非传播波，因此球内透出球外的平均能流为0。这就是WG模式下的微球具有极高品质因数和极小模式体积。简化前后的两组公式表示的模式场分布可有如下三个一组的参量描述：l、m、q。给定一组参量，则可以由自然边界条件和介质边界条件决定对应的谐振频率。其中l为模式数，直接与谐振波长相关，约等于微球大圆上能容纳的波长数(l2Rns/)。q为球贝塞尔函数jl(knsr)在球内的极值数目，即光波的振幅在径向的波腹

33、数目，反映了球内光波场的径向分布。m等于赤道面上场的极大数目(m=-l,.,0,.l)，描述了光波在球内的绕行方向。在相同的l、q情况下，不同的m所代表的模式实际上对应于沿着不同倾斜角的大圆绕行的光波。这些光波的绕行平面与赤道面的夹角不同，而其他方面均相同。m的大小反映了光波绕行矢量在方向上投影分量的大小。而±m代表了绕行方向完全相同的一对光波。因此，对于一个完美的介电微球，谐振频率仅仅与l、q有关，相同l、q条件下不同m代表的模式在频率上可以简并。1.4.4 品质因数Q光学微腔的品质因数Q表征腔对耦合进入到腔中能量的存储能力,Q值越高,说明微腔对能量的存储能力越强。作为微腔的一个重

34、要参量,它决定了微腔在很多方面的应用潜力。品质因数Q可表示为:(1.4-5)其中0表示光的角频率,U指腔内存储的激光能量，W指损耗的激光能量。我们可以利用一个微分方程描述腔体中储存的能量U：(1.4-6)对上述方程求解，可得：(1.4-7)因此谐振腔内光场强度随时间的变化满足指数衰减形式：(1.4-8)对E(t)进行傅里叶变换，可求得它的频谱：(1.4-9)从上式可以看出，腔内场的谐振分布为洛伦兹型函数，谐振模式宽度即为0/Q,因此我们可以根据模式宽度得到Q值，即Q=0/。微球腔品质因数可以分解为几项：与回廊模损耗相关的Qint；与球腔表面不均匀和球腔表面污染物而引起的Raleigh散射损耗相

35、关的Qsurf以及与腔内吸收损耗相关的Qabs。(1.4-10)根据参考文献45，对于由标准通信光纤烧制成的石英微球腔，取其通信波长为1550nm，光纤的包层对于1550nm波长的折射率为1.45，根据相关理论46,可知回廊模本征品质因数随着微球腔几何尺寸的增大而增大，即由于球面半径的弯曲而引起的回廊模损耗随着微球腔几何尺寸的增大而减小。对于直径在40m以上的微球腔Qint=10947，表明回廊模引起的损耗是可以忽略的。光线通过均匀的透明媒介（玻璃、清水）时，从侧面是难以看到光线的。如果媒质不均匀，有悬浮微粒的浑浊液体，我们便可从侧面清晰地看到光束的轨迹，这是媒质的不均匀性使光线朝四面八方散射

36、的结果。光的散射与不均匀性的尺度有很大关系。在光波的作用下他们将成为强度差别较大的次波源，而且从他们到空间各点已有不可忽略的光程差，这些次波相干叠加的结果，光场中的强度分布将与上述均匀媒质情形有所不同，这时，除按几何光学规律传播的光线外，其它方向或多或少也有光线存在，即散射光存在。与球腔表面不均匀和污染物而引起的散射损耗表达式为48：(1.4-11)其中为球表面不均匀度。根据上式可知，当微球半径较大时，球表面的不平等引起的散射损耗相对较小。对于直径在40-100m的微球腔，Qsurf在106-108之间。要降低Qsurf的唯一途径就是降低表面粗糙度和表面杂质。除真空外，没有一种媒质对电磁波是绝

37、对透明的。光的强度随穿进媒质的深度而减少的现象，称为媒质对光的吸收49。散射和吸收这两种情况不同，前者是光被媒质中的不均匀性散射到四面八方，后者则是光能被媒质吸收后转化为电能。(1.4-12)对于石英球微球，当直径大于40m时，其球腔的品质因数主要取决于球的粗糙度和表面清洁度。当球腔越大时，粗糙度和表面清洁度对球腔品质因数的越小。在实验中，光波长为633nm时，Gorodetsky等观测了一个直径为750m的熔融二氧化硅制成的微球腔，其品质因数Q为(0.8±0.1)×101050。1.4.5 自由光谱范围对于具有对称结构的微腔，自由光谱范围（FSR）表示相邻角向模的波长（频

38、率）间隔。光学微腔可以轻易地实现较大的FSR。微腔半径为R，折射率为n，L=2pR时，FSR可表示成: , （1.4-13）但微球腔在实际制备中由于重力等因素，存在一定偏心率e而非严格的球体，这使得原本对于同nr和l，但不同的m，(2l+1)度简并的共振波长发生了分裂，频率变化为 (1.4-14)此时的自由光谱范围近似为：(1.4-15)1.5 论文主要工作本文的主要研究了石墨烯的制备与转移，并制备微纳光纤和微球谐振腔进行耦合和光学表征；进一步将石墨烯集成到微球谐振腔表面，并进行光学表征与集成石墨烯前的光谱做对比，结合数值模拟得到石墨烯对光的相互作用。全文共分为四章，以下各章的主要内容包括：第

39、2章 ：利用机械剥离法在不同基底上制作面积较大（边长大于80m）的薄层（1-5层）石墨烯。第3章 ：制作微纳光纤及微球谐振腔，并实现耦合；集成石墨烯于微球谐振腔并再次实现耦合，进行光学表征对比并分析数据。第4章 ：总结本文工作，并对下一步工作的开展提出一些建议。第二章 石墨烯的制备与转移2.1 机械剥离石墨烯于不同基底微机械剥离法是借助摩擦石墨表面获得片层，并利用光学对比度进行筛选获得单层的石墨烯薄片。该方法工艺简单、成本低廉，制备出来的石墨烯具有良好的晶格结构和电学特性，很适合于实验室基础研究。但这种方法具有偶然性，制备出的石墨烯尺寸小且产量低，很难满足大规模应用要求。本实验中，微机械剥离石

40、墨烯具体办法是采用美国3M公司制造的特殊胶带分别粘在大面积石墨层的两个表面并进行剥离，如此重复该实验步骤，最终将进行了适当剥离次数的石墨对准预先制备好的基底并贴合，按压后在基底获得薄厚不等的石墨烯薄层。通过显微镜在反射光工作模式下观察，由于不同层数的石墨烯对光的反射效果不同，如PMMA/Si基底的条件下，在光学显微镜反射光模式下对PMMA/Si基底上的石墨烯进行观察时，不同层数的石墨烯片引起的相移和振幅调制及PMMA层对光的反射（如图2.1-1所示），使得反射光的相对强度不同，导致不同层数的石墨烯相对于基底具有不同的衬比度C=I (n1=1)-I (n1)/I (n1=1)，其中I (n1=1

41、)为没有石墨烯时的反射光强，与PMMA层的厚度有关，I (n1=1)为有石墨烯时的反射光强，因此可以筛选出层数较低（1-10层）的石墨烯。Si : n3(l)SiO2 : n2(l)graphene: n1air: n0=1图 2.1-1 基底上石墨烯的光反射 图 2.1-2 石墨烯附着在基底上由图2.1-2可见，在显微镜反射工作模式下不同厚度的石墨烯具有不同的衬比度。其中，具有亮白色外观的是层数较多的石墨，而具有浅紫色外观的部分为少数层石墨烯。不同区域石墨的具体层数确认，需要进一步通过分析拉曼光谱来实现。2.2 机械剥离制得石墨烯的转移2.2.1 基于PMMA以及PVA有机薄膜基底的石墨烯转

42、移办法机械剥离制得的石墨烯最终需要向光学器件表面集成。因此，为便捷地将石墨烯从基底取出并向光学器件转移，我们采用聚合物薄层作为牺牲层。利用金刚石切割刀将大面积单晶硅片分割成为尺寸大约1cm×1cm的正方形硅片，利用丙酮对其进行超声清洗，取出后利用异丙醇以及甲醇进行冲洗确保硅片高度清洁，利用压缩氮气进行吹干并用密封容器保存以便后续使用。利用去离子水作为溶剂，聚乙烯醇（PVA）作为溶质，以适当的比例（大约30mg/100ml）混合并利用磁转子升温搅拌溶解。同时利用四氢呋喃作为溶剂，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为溶质配制浓度约6的溶液，同样利用电磁搅拌加速溶解。利用匀胶机在洁净硅片表面旋涂

43、PVA溶液，利用电磁炉升温至80摄氏度蒸干溶剂水，再利用匀胶机在PVA薄膜表面旋涂PMMA溶液，升温120摄氏度蒸干溶剂四氢呋喃。其中旋涂速度不同会导致薄膜厚度以及均匀度不同，在多次试验后最终确定的最佳条件为PVA旋涂转速以2000r/s为最佳，PMMA旋涂转速以2500-3000r/s为最佳。该条件下制作的基底颜色偏紫，在后续石墨烯的观察中最佳。由于石墨烯在PMMA薄膜表面作用力较强，因此在该方法中较容易制得层数较薄面积较大的石墨烯薄层。图 2.2-1 聚合物牺牲层法转移石墨烯如上图所示，当石墨烯附着在PMMA表面，将基底放置在水面。由于PVA能够溶解于水中，因此在加热条件下，PVA迅速溶解

44、，从而硅片于PMMA薄膜分离。PMMA比重低于水因此能够漂浮在水面。利用中心带有圆形孔的有机玻璃片打捞，最终获得能够向光学器件转移的石墨烯薄层。2.2.2 基于PPC有机薄膜基底的石墨烯转移办法由于上述办法转移石墨烯的工艺复杂，对PVA和PMMA旋涂厚度要求苛刻，成功率较低，比如：PVA薄膜不均导致无法完全溶解分离，或由于硅片自身重力作用将PMMA薄膜以及其表面石墨烯一同带入水中导致石墨烯污染等等。因此本实验中大多数转移工作采用了基于氯化聚丙酮（PPC）薄膜的转移工艺。实验采用丙酮作为溶剂，氯化聚丙酮作为溶质，配置浓度为0.125mg/ml的溶液。实验初期采用传统工艺进行转移，即利用单晶硅薄片

45、制作PPC薄膜，如图2.2-2(a)所示。利用带有圆孔的美国3M公司胶带将PPC薄膜从单晶硅表面粘下，如图2.2-2(b)所示。利用载玻片表面粘贴直径略微小于胶带圆孔直径的圆柱形PDMS为载体，将上述圆孔对准PDMS下压从而得到以PDMS为衬底的PPC薄膜，如图(c)，(d)所示。采用氧化硅为基底制备石墨烯，利用探针试验台在显微镜下将圆形PDMS对准目标石墨烯调节使之与氧化硅表面贴合,如图(e)。升温即可将石墨烯由氧化硅表面转移到PPC薄膜表面，如图(f)所示，从而实现下一步的转移工作。(a)(b)(c)(d)(e)(f)图 2.2-2 基于PPC薄膜的传统转移办法如图2.2-2(a)、(b)

46、所示，实验利用打孔机在胶带中央打孔，并利用该胶带将硅片表面旋涂制作的PPC薄膜粘下。图2.2-2(c)、(d)展示了实验利用PDMS为衬底将胶带圆孔对准下压的过程，图(e)、(f)则展示了最终制作结果。上述工艺不仅工序复杂，而且存在许多弊端，例如：氧化硅表面与石墨烯作用力较小。因此，胶带剥离的石墨烯不易附着；利用PPC薄膜从氧化硅表面升温粘取石墨烯时部分较薄的石墨烯无法粘取，获取目标石墨烯具有较低的成功率；升温粘取石墨烯后PPC薄膜在与氧化硅表面分离过程中会出现形变，该形变导致后续转移时目标石墨烯在显微镜下不同焦距，等等。为解决上述问题，本实验对传统工艺进行了改进。本实验中新的工艺放弃了硅片以

47、及氧化硅片，采用了大小1cm×1cm的洁净玻璃片旋涂PPC薄膜作为基底。将胶带撕制的石墨烯直接向PPC表面转移。转移成功后,如图2.2-3(a)和(b)所示，利用带有圆孔胶带将薄膜粘下，之后与传统工艺相同，如图2.2-3(c)和(d)所示，利用PDMS为衬底将PPC薄膜衬于其表面。该工艺大大简化了工序，提高了制造效率。不仅如此，由于PPC薄膜附着石墨烯能力更强，同时石墨烯转移步骤减少，因此该工艺中获得大面积薄层石墨烯的效率大大提高。其中，图2.2-3(e)为显微镜在透射工作状态下CCD拍摄的图像，该工艺下制得尺寸达到110µm以上的石墨烯概率较大。(a)(b)(c)(d)

48、(e)图 2.2-3 基于PPC薄膜的改进转移办法第三章 石墨烯与微球的集成以及光学表征3.1 微球谐振腔及微纳光纤的制作及其相互耦合3.1.1 微球谐振腔及微纳光纤的制作本实验中微球谐振腔的制备采用热熔融的办法，如图3.1-1所示。首先，利用步进拉锥机单步拉锥将去涂覆层后的光纤进行拉锥，拉锥成功后利用剥线钳在拉锥后的光纤最细处剪断。取下锥形光纤，由光纤锥形部分尖端烧制微球。常用的办法有利用二氧化碳激光器聚焦加热光纤到熔融状态，在表面张力的作用下，光纤自发形成标准的玻璃微球。由于激光加热不易操作，本实验中利用了光纤熔接机手动放电的办法由高压电弧加热熔融锥形光纤尖端烧制微球。该方法不仅成本低、便

49、于操作，更能够实现微球谐振腔尺寸的控制。图3.1-2所示为实验上制备的微纳光纤锥以及微球腔。图 3.1-1 (a)单端拉锥得到的锥形微纳光纤；(b)双端拉锥得到得双锥形微纳光纤；(c)步进拉锥机示意图，在氢氧焰加热光纤熔融条件下，步进机单端运动拉锥；图(d)步进机实物图；图(e)光纤熔接机放电烧制微球实物图图 3.1-2 锥形光纤及微球谐振腔本实验微纳光纤的制备采用了熔融拉锥的方法：首先利用剥线器去除单模光纤先的涂覆层。采用氢氧焰加热裸光纤，利用步进拉锥机双步拉锥，最终获得直径低于2µm的微纳光纤。利用带有凹口的有机玻璃板水平靠近光纤并利用紫外固化胶固定。拉制的微纳光纤需要连接跳线进

50、行损耗检测，通常损耗低于65（即输入功率10mW时输出功率大于3.5mW）的微纳光纤即为可用光纤，如图3.1-3所示。图 3.1-3 微纳光纤3.1.2 微球谐振腔的耦合方式将光耦合进微球谐振腔的方式很多，图3.1-4给出了几种耦合方式的示意图，其中(a)为利用微纳光纤、(b)为利用光波导、 (c)为利用光学棱镜、 (d)为利用光纤抛光切面。(a) (b)(c)(d)图 3.1-4 (a)微纳光纤与微球腔的耦合；(b) 光波导与微球腔的耦合；(c) 棱镜与微球腔的耦合；(d) 光纤切面与微球腔耦合然而不同的耦合方式可达到的最大耦合效率不同。由理论计算可以得到，利用光学棱镜耦合时,由于其极大的光

51、泄露，能够达到的最大耦合效率仅能达到80，光波导最大耦合效率也并不理想，然而利用微纳光纤耦合的最大耦合效率可以达到95。因此，本文实验中采用了双锥微纳光纤与微球谐振腔耦合。3.1.3 微球谐振腔与微纳光纤的耦合系统分析如图3.1-5所示，微球谐振腔与微纳光纤的相互耦合利用了当微纳光纤有光传播时，在光纤的锥形区域，会透过包层辐射出较强的倏逝光场，当倏逝光场的频率与微球中赤道面上的本征频率相等时，绝热锥形光纤的包层所携带的光就会耦合进微球，也是通过不断的全反射产生回音壁模式。这种微纳光纤耦合效率高，而且体积紧凑，耦合效率也大为提高，便于集成，可被广泛应用于光纤通信中，如作光源、放大器等，这也是目前

52、微球研究领域的重点。图 3.1-5 微球谐振腔与微纳光纤的耦合为描述谐振腔与外界耦合的强弱，工程上常常使用耦合系数定义： (3.1-1)当<1时称欠耦合（或弱耦合）：由于微球谐振腔存在各种损耗，因此微球谐振腔的Q值为一确定的有限值。当微纳光纤与微球谐振腔的距离比较远时，它们之间的耦合非常弱，微纳光纤的传输模与球内的谐振模式几乎不重叠，即t1,Qc。当微纳光纤靠近微球谐振腔时，模式重叠区域增加，耦合效率不断提高，Qc不断减少但仍然比微球谐振腔固有品质因数Qs大，投射率T从1逐渐减小到0；=1则称临界耦合：当微纳光纤靠近到微球一定的距离时，使得Qc=Qs时，输出端的透射率T为零，也就是说所有

53、的输入功率被耦合进微球谐振腔；>1时称过耦合（或强耦合）：随着微纳光纤进一步靠近微球，模场重叠区域进一步增大，Qc不断减小，此时透射率也逐渐的增大，输出端对应的光功率也将变大。(a)(b)(c)(d)(e)图 3.1-6 耦合操作的试验系统。(a)耦合操作系统示意图；(b)耦合操作系统近景；(c)耦合操作系统示意图；(d)竖直方向CCD显微图；(e)水平方向CCD显微图图3.1-6为用于微球谐振腔耦合微纳光纤的操作平台。该实验平台由竖直及水平方向可移动的两个显微镜、两个CCD成像仪以及两个三维移动平台组成。实验过程利用两个显微镜连接计算机进行实时观测，利用三维移动台分别控制微纳光纤以及微

54、球谐振腔使微纳光纤与微球谐振腔赤道面重合并降低光纤高度使之不断与微球靠近，观察光谱仪，确定耦合状态。其中图3.1-6 (d)和（e）为两个CCD成像系统拍摄得到的耦合效果图。3.2 微球谐振腔与石墨烯的集成及其光学表征为实现光子与石墨烯的相互作用能够达到易观测的强度并且能够实现定量分析，本实验采用了微球谐振腔作为光子与石墨烯相互作用的媒介。石墨烯与微球谐振腔的集成利用了探针试验台作为操作平台。在竖直方向利用显微镜进行实时观测，利用三维压电陶瓷控制移动平台控制石墨烯的移动，使之与微球谐振腔赤道线重合在同一竖直垂线上，并在竖直方向向下移动接近微球谐振腔。不断修正石墨烯的水平位置最终贴合。图 3.2

55、-1 基于PPC薄膜的石墨烯与微球腔集成示意图(a)(b)(c)(d)(e)(f)图 3.2-2 石墨烯与微球腔集成的过程图图3.2-1为水平方向上观察石墨烯转移的示意图。图3.2-2为竖直方向上显微镜下观察到的转移过程。石墨烯在水平方向不断修正位置对准微球谐振腔赤道线并靠近微球谐振腔表面，贴合前的状态即为图(a)所示，由于在同一焦距下能够同时清楚看到石墨烯及微球谐振腔，此时二者已经十分贴近。图(b)所示为石墨烯继续向下移动与微球谐振腔贴合的瞬间，对比图(a)可明显看出薄层石墨烯与微球谐振腔的轮廓。图(c)展示了贴合后开始加热的状态，对比前一刻（图(b)所示），从微球谐振腔外轮廓的逐渐模糊可以明显看出PPC薄膜融化的现象。图(d)为110摄氏度加热20分钟后分离载玻片后的状态，在低倍率显微条件下可以明显看出PPC薄膜的残留状况。图(e)为高倍率放大观察结果，石墨烯转移成功但仍然存在PPC的残留。图(f)为将转移成功后的微球谐振腔放入三氯甲烷中浸泡12小时后的状态，对比图(e)可以看出，PPC残留全部溶解，仅剩石墨