Luận văn: Mapping WGMs của Microsphere Thủy tinh pha tạp Erbium bằng Near-field Optical Probe

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu WGMs của vi cầu thủy tinh pha tạp Erbium bằng đầu dò quang học trường gần. Phân tích đặc tính và ứng dụng tiềm năng.

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận văn Thạc sĩ
79
1
0

Phí lưu trữ

30 Point

Mục lục chi tiết

1. CHAPTER I: MORPHOLOGY DEPENDENT RESONANCES

2. CHAPTER II: COUPLING MICROSPHERES WGMs BASED ON NEAR-FIELD OPTICS

3. CHAPTER III: FABRICATION OF MICROSPHERE AND TAPER FIBER

4. CHAPTER IV: EXPERIMENTS AND RESULTS

CONCLUSION

1. Chapter 1 Morphology Dependent Resonances

1.1. Ray and Wave Optics Approach

1.2. Lorenz-Mie Theory

Tóm tắt

I. Tổng quan về Mapping WGMs Microsphere trong Luận văn Thạc sĩ

Luận văn Thạc sĩ về Mapping WGMs trên Microsphere là một nghiên cứu chuyên sâu về các chế độ dao động cộng hưởng Whispering Gallery Modes (WGMs) trong các cấu trúc vi cầu. Các Whispering Gallery Modes (WGMs) là các mode cộng hưởng quang học xuất hiện trong các cấu trúc có hình dạng cong, ví dụ như optical microsphere. Ánh sáng bị giam giữ bên trong cấu trúc do hiện tượng phản xạ toàn phần, tạo ra các mode cộng hưởng có chất lượng Q cao. Luận văn này tập trung vào việc mapping WGMs bằng các phương pháp quang học near-field, một kỹ thuật cho phép khảo sát các đặc tính quang học của microsphere với độ phân giải cao hơn giới hạn nhiễu xạ. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các thiết bị cảm biến quang học độ nhạy cao, các microcavity laser, và các ứng dụng khác trong lĩnh vực photonicsnano-optics. Việc phân tích WGMs cũng đóng vai trò then chốt trong việc hiểu rõ các đặc tính quang học của vật liệu chế tạo microsphere và ảnh hưởng của môi trường xung quanh đến các mode cộng hưởng. Tài liệu gốc cung cấp nền tảng lý thuyết về WGMs, các phương pháp chế tạo microsphere, và kỹ thuật đo lường mapping WGMs bằng near-field optics.

1.1. Khái niệm và ứng dụng của Whispering Gallery Modes WGMs trong Optics

Các Whispering Gallery Modes (WGMs) là hiện tượng cộng hưởng quang học xảy ra trong các cấu trúc hình cầu hoặc hình trụ nhỏ, nơi ánh sáng bị giam giữ bên trong do phản xạ toàn phần. Tên gọi này bắt nguồn từ hiện tượng âm thanh tương tự trong các phòng trưng bày lớn, nơi tiếng thì thầm có thể được nghe rõ ràng ở khoảng cách xa dọc theo bức tường cong. Trong lĩnh vực quang học, WGMs được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị như microcavity laser, cảm biến quang học, và các bộ lọc quang học. Ưu điểm của WGMs là khả năng tạo ra các mode cộng hưởng với chất lượng Q rất cao, cho phép ánh sáng tương tác với vật chất trong thời gian dài, tăng cường hiệu ứng quang học và nâng cao độ nhạy của thiết bị. Nghiên cứu về WGMs mở ra nhiều cơ hội trong việc phát triển các công nghệ quang học tiên tiến. Việc điều khiển và điều chế WGMs là một hướng đi đầy tiềm năng trong photonics hiện đại.

1.2. Ý nghĩa của việc Mapping WGMs trong nghiên cứu Microsphere và Nano optics

Việc Mapping WGMs là quá trình xác định và mô tả chi tiết các đặc tính của các mode cộng hưởng trong microsphere. Quá trình này bao gồm việc xác định vị trí, cường độ, và hình dạng của các mode, cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến chúng, chẳng hạn như kích thước và hình dạng của microsphere, chỉ số khúc xạ của vật liệu, và môi trường xung quanh. Phương pháp Mapping này cung cấp thông tin quan trọng để hiểu rõ cơ chế hoạt động của WGMs và tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị dựa trên microsphere. Ngoài ra, việc Mapping WGMs còn cho phép nghiên cứu các tương tác giữa ánh sáng và vật chất ở quy mô nano, mở ra những ứng dụng mới trong lĩnh vực nano-optics. Độ chính xác Mapping là một yếu tố then chốt, ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

II. Thách thức trong Chế tạo Microsphere chất lượng cao cho Mapping WGMs

Việc chế tạo microsphere với chất lượng cao là một thách thức lớn trong nghiên cứu Mapping WGMs. Microsphere cần có hình dạng cầu hoàn hảo, bề mặt nhẵn, và độ đồng nhất về vật liệu để đảm bảo các mode cộng hưởng WGMs có chất lượng Q cao và ổn định. Các sai sót trong quá trình chế tạo microsphere, chẳng hạn như độ nhám bề mặt, tạp chất, hoặc biến dạng hình học, có thể làm giảm chất lượng Q của các mode và gây khó khăn cho việc mapping WGMs. Ngoài ra, việc lựa chọn vật liệu microsphere phù hợp cũng rất quan trọng, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể. Một số vật liệu phổ biến bao gồm silica, polymers, và các vật liệu bán dẫn. Việc kiểm soát kích thước hạt microsphere cũng là một yếu tố quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến tần số cộng hưởng của các WGMs.

2.1. Ảnh hưởng của Vật liệu Microsphere đến chất lượng Phổ WGMs và Ứng dụng WGMs

Loại vật liệu microsphere được sử dụng có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của phổ WGMs và hiệu quả của các ứng dụng. Các đặc tính quang học của vật liệu, chẳng hạn như chỉ số khúc xạ, độ hấp thụ, và tán xạ ánh sáng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng Q của các mode cộng hưởng và độ nhạy của các thiết bị. Ví dụ, silica là một vật liệu phổ biến vì có độ trong suốt cao và khả năng tạo ra bề mặt nhẵn, nhưng nó có thể không phù hợp cho các ứng dụng cần đến các đặc tính quang học phi tuyến. Các vật liệu khác, như polymers hoặc bán dẫn, có thể cung cấp các đặc tính quang học mong muốn, nhưng có thể khó chế tạo thành microsphere với chất lượng cao. Việc lựa chọn vật liệu Microsphere cần được cân nhắc kỹ lưỡng dựa trên yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng. Ví dụ, đối với các ứng dụng cảm biến quang học, vật liệu cần có độ nhạy cao với các thay đổi của môi trường xung quanh.

2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến Chất lượng Q của WGMs Resonator và cách tối ưu

Chất lượng Q của một WGMs resonator là một thước đo quan trọng về khả năng giam giữ ánh sáng bên trong cấu trúc. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng Q bao gồm độ nhám bề mặt, tạp chất, biến dạng hình học, và độ hấp thụ của vật liệu. Để tối ưu hóa chất lượng Q, cần phải kiểm soát chặt chẽ quá trình chế tạo microsphere, sử dụng vật liệu có độ tinh khiết cao, và giảm thiểu các nguồn gây nhiễu. Một số kỹ thuật được sử dụng để cải thiện chất lượng Q bao gồm làm nhẵn bề mặt bằng phương pháp hóa học hoặc cơ học, ủ nhiệt để giảm ứng suất, và sử dụng lớp phủ để bảo vệ bề mặt khỏi ô nhiễm. Phân tích lỗi và xác định các yếu tố giới hạn chất lượng Q là rất quan trọng để cải thiện hiệu suất của các thiết bị WGMs.

III. Phương pháp Mapping quang học near field cho Microsphere WGMs Cách thực hiện

Kỹ thuật mapping WGMs bằng quang học near-field là một phương pháp tiên tiến cho phép khảo sát các đặc tính quang học của microsphere với độ phân giải cao hơn giới hạn nhiễu xạ. Phương pháp này sử dụng một đầu dò quang học nhỏ, chẳng hạn như một sợi quang được vuốt nhọn, để quét trên bề mặt của microsphere và thu thập ánh sáng tán xạ. Bằng cách phân tích tín hiệu ánh sáng thu được, có thể xác định vị trí, cường độ, và hình dạng của các mode cộng hưởng WGMs. Kỹ thuật near-field optics vượt trội so với các phương pháp quang học thông thường vì nó cho phép khảo sát các mode cộng hưởng ở gần bề mặt của microsphere, nơi mà ánh sáng bị giam giữ mạnh nhất. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng cảm biến quang học, nơi mà sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất diễn ra ở quy mô nano.

3.1. Nguyên lý hoạt động của Near field Scanning Optical Microscopy NSOM trong Mapping WGMs

Near-field Scanning Optical Microscopy (NSOM) là một kỹ thuật mapping dựa trên nguyên lý thu thập ánh sáng ở khoảng cách gần bề mặt mẫu, nhỏ hơn bước sóng ánh sáng. Trong Mapping WGMs, một đầu dò NSOM được sử dụng để quét trên bề mặt microsphere. Đầu dò này có thể là một sợi quang được vuốt nhọn hoặc một khe hở nhỏ trên một màn chắn kim loại. Khi ánh sáng chiếu vào đầu dò, nó tạo ra một trường near-field mạnh ở đầu dò. Trường này tương tác với các mode cộng hưởng WGMs trên microsphere, và ánh sáng tán xạ được thu thập bởi đầu dò. Bằng cách phân tích tín hiệu ánh sáng thu được, có thể tạo ra bản đồ phân bố cường độ của các mode WGMs với độ phân giải cao. Chất lượng của đầu dò NSOM đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ phân giải và độ nhạy của phép đo.

3.2. Các bước thực hiện và Phân tích WGMs bằng dữ liệu thu thập từ Near field Microscopy

Quá trình Mapping WGMs bằng near-field microscopy bao gồm các bước sau: (1) Chuẩn bị mẫu microsphere và gắn nó lên một đế. (2) Căn chỉnh hệ thống quang học và đầu dò NSOM. (3) Quét đầu dò trên bề mặt microsphere và thu thập tín hiệu ánh sáng tán xạ. (4) Xử lý dữ liệu thu được để tạo ra bản đồ phân bố cường độ của các mode WGMs. (5) Phân tích WGMs bằng cách xác định vị trí, cường độ, và hình dạng của các mode. Dữ liệu thu được từ near-field microscopy có thể được phân tích bằng các phần mềm chuyên dụng để xác định các thông số quan trọng của WGMs, chẳng hạn như tần số cộng hưởng, chất lượng Q, và kích thước hạt microsphere. Việc phân tích này cung cấp thông tin quan trọng để hiểu rõ cơ chế hoạt động của WGMs và tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị dựa trên microsphere.

IV. Nghiên cứu Phổ WGMs của Microsphere Erbium doped Kết quả và Thảo luận

Luận văn này trình bày kết quả nghiên cứu phổ WGMs của microsphere Erbium-doped bằng kỹ thuật quang học near-field. Các microsphere được chế tạo từ vật liệu thủy tinh doped Erbium, có khả năng phát ra ánh sáng ở bước sóng 1.5 µm khi được kích thích bằng ánh sáng bơm. Kết quả Mapping WGMs cho thấy sự xuất hiện của các mode cộng hưởng sắc nét và có chất lượng Q cao. Các mode này được phân tích để xác định tần số cộng hưởng và độ rộng đường, từ đó suy ra các đặc tính quang học của vật liệu và ảnh hưởng của môi trường xung quanh. Nghiên cứu này cung cấp thông tin quan trọng cho việc phát triển các microcavity laser Erbium-doped và các thiết bị cảm biến quang học độ nhạy cao.

4.1. Ảnh hưởng của nồng độ Erbium và Vật liệu Microsphere đến Phổ WGMs phát xạ

Nồng độ Erbium và loại vật liệu microsphere có ảnh hưởng đáng kể đến phổ WGMs phát xạ. Nồng độ Erbium ảnh hưởng đến cường độ phát xạ và chất lượng Q của các mode cộng hưởng. Nồng độ quá cao có thể dẫn đến hiện tượng tự hấp thụ và giảm chất lượng Q, trong khi nồng độ quá thấp có thể không đủ để tạo ra tín hiệu phát xạ mạnh. Loại vật liệu microsphere ảnh hưởng đến chỉ số khúc xạ, độ tán sắc, và độ hấp thụ ánh sáng, từ đó ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng và độ rộng đường của các mode WGMs. Việc tối ưu hóa nồng độ Erbium và lựa chọn vật liệu microsphere phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu suất phát xạ tốt nhất.

4.2. Ứng dụng Phân tích WGMs trong việc xác định Đặc tính quang học Microsphere và Ảnh hưởng của môi trường

Phân tích WGMs có thể được sử dụng để xác định các đặc tính quang học của microsphere, chẳng hạn như chỉ số khúc xạ, độ tán sắc, và độ hấp thụ ánh sáng. Bằng cách so sánh các kết quả thực nghiệm với các mô hình lý thuyết, có thể suy ra các thông số vật liệu một cách chính xác. Ngoài ra, phân tích WGMs còn cho phép nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường xung quanh đến các mode cộng hưởng. Các thay đổi trong nhiệt độ, áp suất, hoặc thành phần hóa học của môi trường có thể làm thay đổi tần số cộng hưởng và độ rộng đường của các mode WGMs, và những thay đổi này có thể được sử dụng để phát hiện và định lượng các chất hóa học hoặc sinh học. Ứng dụng này mở ra tiềm năng lớn cho các cảm biến quang học độ nhạy cao.

V. Kết luận và Hướng phát triển cho nghiên cứu Mapping WGMs Microsphere

Luận văn này đã trình bày một nghiên cứu toàn diện về mapping WGMs trên microsphere, từ các nguyên tắc cơ bản đến các ứng dụng thực tế. Kết quả nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của kỹ thuật quang học near-field trong việc khảo sát các đặc tính quang học của microsphere với độ phân giải cao. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các thiết bị cảm biến quang học độ nhạy cao, microcavity laser, và các ứng dụng khác trong lĩnh vực photonicsnano-optics. Trong tương lai, các nghiên cứu có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp mapping WGMs tiên tiến hơn, sử dụng các vật liệu microsphere mới, và khám phá các ứng dụng mới của WGMs trong các lĩnh vực khác nhau.

5.1. Tóm tắt kết quả chính và đánh giá Độ chính xác Mapping trong nghiên cứu

Nghiên cứu đã thành công trong việc mapping các mode WGMs trên microsphere Erbium-doped bằng kỹ thuật quang học near-field. Kết quả cho thấy sự xuất hiện của các mode cộng hưởng sắc nét và có chất lượng Q cao, phù hợp với các mô hình lý thuyết. Độ chính xác Mapping được đánh giá dựa trên việc so sánh các kết quả thực nghiệm với các giá trị lý thuyết và các kết quả từ các nghiên cứu trước đó. Các nguồn phân tích lỗi tiềm năng bao gồm độ phân giải của hệ thống quang học, độ ổn định của đầu dò NSOM, và các yếu tố môi trường. Việc cải thiện độ chính xác Mapping là một mục tiêu quan trọng cho các nghiên cứu trong tương lai.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo về Ứng dụng Mapping WGMs và Điều chế WGMs trong tương lai

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc khám phá các ứng dụng Mapping WGMs trong các lĩnh vực mới, chẳng hạn như phát hiện các phân tử đơn lẻ, nghiên cứu các quá trình hóa học trên bề mặt, và phát triển các thiết bị cảm biến sinh học độ nhạy cao. Một hướng nghiên cứu khác là phát triển các phương pháp điều chế WGMs một cách chủ động, chẳng hạn như sử dụng ánh sáng, điện trường, hoặc nhiệt độ để điều khiển tần số cộng hưởng và độ rộng đường của các mode WGMs. Điều này mở ra khả năng tạo ra các thiết bị quang học có thể điều chỉnh được và có thể được sử dụng trong các ứng dụng như xử lý tín hiệu quang học, quang điện tử, và lượng tử.

24/09/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Vietnam national university, Hanoi College of Technology Ho Duc Vinh Mapping WGMs of Erbium doped glass microsphere using Near-field optical probe Master thesis Supervisor: Dr. Tran Thi Tam 1 LUAN MOI download : skknchat@gmail. CHAPTER I: MORPHOLOGY DEPENDENT RESONANCES 3. CHAPTER II: COUPLING MICROSPHERES WGMs BASED ON NEAR-FIELD OPTICS 4.

CHAPTER III: FABRICATION OF MICROSPHERE AND TAPER FIBER 5. CHAPTER IV: EXPERIMENTS AND RESULTS CONCLUSION TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Chapter 1 Morphology Dependent Resonances chapter 1: Morphology Dependent Resonances (MDRs-WGMs) 1. Dielectric Microsphere -A simple Model of WGMs: Microspheres act as high Q resonators in optical regime. The curved surface of a microshere leads to efficient confinement of light waves.

The light waves totally reflect at the surface and propagate along the circumference. If they round in phase, resonant standing waves are produced near the surface. Such resonances are called "morphology dependent resonances (MDRs)" because the resonance 2π a frequencies strongly depend on the size parameter x = , (where a is the radius of λ microstructure and λ is the light wavelength). Alternatively , the resonant modes are often called "Whispering Gallery Modes (WGMs)".

The WGMs are named because of the similarity with acoustic waves traveling around the inside wall of a gallery. Early this century, L.Rayleigh [46] first observed and analyzed the "whispers" propagating around the dome of St.Catherine's cathedral in England. Optical processes associated with WGMs have been studied extensively in recent years [45]. WGMs are characterized by three numbers, n, l and m, for both polarizations corresponding to TE (transverse electric) and TM (transverse magnetic) modes.

TE and TM modes have no radial components of electric and magnetic fields, respectively. These integers distinguish intensity distribution of the resonant mode inside a microsphere (a simple model system of Micro resonators). The order number n indicates the number of peaks in the radial intensity distribution inside the sphere and the mode number l is the number of waves of resonant light along the circumference of the sphere. The azimuthal mode number m describes azimuthal spatial distribution of the mode.

For the perfect sphere, modes of WGMs are degenerate in respect to m. In this section, firstly, it presents a simple model of WGMs in terms ray and wave optics for a qualitative interpretation. 5 Ho Duc Vinh K10N LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Chapter 1 Morphology Dependent Resonances 1.1 Ray and Wave Optics Approach: The most intuitive picture describing the optical resonances of microsphere is based upon ray and wave optics. * Ray optics: Consider a microsphere with radius a and a refractive index n(ω ) , and a ray of light propagating inside, hitting the surface with angle of incidence θ in (Figure 1.

Inphase θ inc > θ c Figure 1. a/ Ray at glancing angle is totally reflected b/ If optical path = integral number of wavelengths, a resonance is formed If θ in > θ c = arcsin(1/ n(ω )) , then total internal reflection occurs. Because of spherical symmetry, all subsequent angles of incidence are the same, and the ray is trapped. Leakage occurs only through diffractive effects, i., because of the finiteness of a / λ , where λ is the wavelength in vacuum.

The leakage is expected to be exponentially small. This simple geometric picture leads to the concept of resonances. For large microspheres ( a >> λ ), the trapped ray propagates close to the surface, and traverses a distance ≈ 2π a in one round trip [52]. If one round trip exactly equals l wavelengths in the medium (l = integer), then a standing wave can occur (Figure 1.This condition translates into λ 2π a ≈ l (1.1) n(ω ) A dimensionless size parameter x is defined for this system 2π a x= (1.2) λ 6 Ho Duc Vinh K10N LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Chapter 1 Morphology Dependent Resonances In terms of which the resonance condition is l x≈ (1.3) n(ω ) Consider the ray in Figure 1.

Its momentum is p = h k = h [2π (λ / n(ω ))] (1.4) where p is the momentum of photons, h is the Planck’s constant divided by 2π , and k is the wave number. If this ray strikes the surface at near-glancing incidence ( θ in ≈ π 2 ), then the angular momentum, denoted as h l , is h l ≈ a p = a 2π h (λ / n(ω )) (1.5) which is identical to Equation 1. The point of this derivation is to identify the integer l , originally introduced as the number of wavelengths in the circumference, as the angular momentum in the usual sense. The great-circle orbit of the rays need not be confined to the x-y plane (e., the equatorial plane).

If the orbit is inclined at an angle θ with respect to the z-axis, the z-component of the angular momentum of the mode is (see Figure.6) 2 For a perfect sphere, all of the m modes are degenerate (with 2 l +1 degeneracy). The degeneracy is partially lifted when the cavity is axisymmetrically (along the z-axis) deformed from sphericity. For such distortions the integer values for m are ± l , ± (l − 1),.0, where the degeneracy remains, because the resonance modes are independent of the circulation direction (clockwise or counterclockwise) [49]. Highly accurate measurements of the clockwise and counterclockwise circulating m-mode frequencies reveal a splitting due to internal backscattering, that couples the two counter propagating modes [47].

Geometrical interpretation of light interaction with a microsphere has several limitations: - It cannot explain escape of light from a WGM (for perfect spheres), and hence the characteristic leakage rates cannot be calculated. 7 Ho Duc Vinh K10N LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Chapter 1 Morphology Dependent Resonances - Geometric optics provides no possibility for incident light to couple into a WGM. - The polarization of light is not taken into account. - The radial character of the optical modes cannot be determined by geometrical optics [7].

* Wave optics: The proper description of the system should reply on Maxwell’s equations, which, for a definite frequency ω and in units where C = 1, is ∇ × (∇ × E ) − ω 2ε (r )E = 0 (1.7) Here we assume that the dielectric constant ε depends only on the radius a, i., the system is spherically symmetric. The transverse electric (TE) modes are characterized by E ( r ) = Φ lm ( a ) X lm (θ , Φ ) (1.8) −1/ 2 where X lm =  l ( l + 1)  LYlm is the vector spherical harmonic and L = a × i∇. The waves are then described by a scalar equation [19] d 2Φ  2 l ( l − 1)  + ω ε ( a ) − Φ = 0 (1.9) da  a2  where the scalar function Φ is related to the radial function of the field as Φ = aφ lm ( a ) (1.10) similarly, the transverse magnetic (TM) modes are characterized by 1 E (r ) = ∇ × φ lm ( a ) X lm  (1.12) da ε ( a )  da   ε (a) a2  where in this case the scalar function is again given by (1. Hence, the radial character of the optical modes could be determined by wave optics.

8 Ho Duc Vinh K10N LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Chapter 1 Morphology Dependent Resonances 1.2 Lorenz-Mie Theory: A complete description of the interaction of light with a dielectric is given by electromagnetic theory which is solved basically in wave optics above. The spherical geometry suggests expanding the fields in terms of vector spherical harmonics. Characteristic equations for the WGMs are derived by requiring continuity of the tangential components of both the electric and magnetic fields at the boundary of the dielectric sphere and the surrounding medium. Internal intensity distributions are determined by expanding the incident wave (plane-wave of focused beam), internal field, and external field, all in terms of vector spherical harmonics and again imposing appropriate boundary conditions.2: The resonant light wave propagates along the great circle whose normal direction is inclined at an angle π 2 − θ with respect to the z-axis.

The WGMs of a microsphere are analyzed by the localization principle and the Generalized Lorenz-Mie Theory (GLMT) [36, 34, 51]. Therefore, each WGM is characterized by a mode order n , a mode number l and an azimuthal mode m, which are described above and are summarized here: + The radial mode order n indicates the number of maxima in the internal electric field distribution in the radial direction. + The mode number l gives the number of maxima between 0o and 180o degrees in the angular distribution of the energy of the WGM. + Each mode WGM of the microsphere also has an azimuthal angular dependence from 0o and 360o, which is define with an azimuthal mode number m.

9 Ho Duc Vinh K10N LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Chapter 1 Morphology Dependent Resonances However, for sphere, WGMs differing only in azimuthal mode number have identical resonance frequencies. The characteristic eigenvalue equations for the natural resonant frequencies of dielectric microsphere have been solved in homogeneous surroundings. WGMs correspond to solutions of these characteristic equations of the electromagnetic fields in the presence of a sphere. The characteristic equations are obtained by expanding the fields in vector spherical harmonics and then matching the tangential components of the electric and magnetic fields at the surface of the sphere.

No incident field is assumed in deriving the characteristic equations [17]. For modes having no radial component of the magnetic field (transverse magnetic or TM modes) the characteristic equation is, [ n(ω ) jl (n(ω ) x)] ' '  xhl(1) ( x )  = (1.13) n 2 (ω ) jl (n(ω ) x) hl(1) ( x) 2π a where x is the size parameter, x = , a is the radius, λ is the wavelength, and λ n(ω ) is the ratio of the refractive index of dielectric microsphere to that of the surrounding medium. The characteristic equation for modes having no radial component of the electric field (transverse electric or TE modes) is: [ n(ω ) x jl (n(ω ) x)] ' '  xhl(1) ( x)  =  (1) (1.14) jl (n(ω ) x) hl ( x ) The characteristic equations are independent of the incident field.14, jl(x) and hl(1)(x) are the spherical Bessel and the Hankel functions of the first kind, respectively. The prime (‘) denotes differentiation with respect to the argument.

The transcendental equation is satisfied only by a discrete set of characteristic values of the size parameter, xn,l , corresponding to the radial nth root for each angular l. The elastically scattered field can be written as an expansion of vector spherical wave functions with TE coefficients (al) and TM coefficients (bl) for a 10 Ho Duc Vinh K10N LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Chapter 1 Morphology Dependent Resonances plane wave incident on a dielectric microsphere. The scattered field becomes infinite at complex frequencies ω ( n , l ) corresponding to the complex size parameters x(n,l) , at which, al and bl become infinite.3: Three light waves; the linearly polarized incident plane wave, the spherical wave inside the sphere and the spherical wave scattered by the sphere. al coefficients are associated with TEn,l WGMs specified by: jl ( x) [ n (ω ) x jl ( n(ω ) x ) ] − n 2 (ω ) jl ( n(ω ) x) [ x jl ( x ) ] ' ' al = (1.15) hl(2) ( x) [ n(ω ) x jl ( n(ω ) x) ] − n 2 (ω ) jl ( n(ω ) x)  xhl( 2) ( x)  ' ' Similarly, bl coefficients are associated with the TMn,l WGMs as specified by equation 1.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ