《Optical Materials》：Spectral dynamics of a microbottle laser under thermal perturbation
编辑推荐：
微瓶型WGM振子热扰动下模式蓝移特性及温度传感应用研究，通过制备染料掺杂PMMA涂层的微瓶型WGM振子，采用光学泵浦和光谱分析，发现基频模式蓝移灵敏度为80 pm/°C，验证了不同径向模式温度响应的理论模型，为高精度温度传感器开发提供新途径。
Subhajit Dutta | Sarbojit Mukherjee | Shivakiran Bhaktha B.N.
印度理工学院卡尔阿格普尔分校物理系，卡尔阿格普尔，721302，西孟加拉邦，印度
摘要
耳语廊模式（WGM）谐振器所展现的高品质因数使其成为研究外部刺激对共振腔影响的理想候选者。在这项工作中，我们研究了热扰动对活性微瓶谐振器（MBR）激光模式的影响。MBR通过赤道处的窄条光进行光学泵浦，以获得分离良好的共振模式。随着MBR温度的升高，激发的MBR模式表现出蓝移现象，其灵敏度为80 pm/°C。此外，还通过实验和理论计算研究了方位模式和高阶径向模式对温度扰动的不同灵敏度。MBR模式的高灵敏度使其成为开发精密温度传感器的理想选择。
引言
具有高品质因数（Q）的可调光学微谐振器是集成光子电路发展的关键元件[1]。几十年前，实验上已经证明了一类具有圆形周边的特殊光学微谐振器——耳语廊模式（WGM），它们支持高品质因数（Q）和小模式体积（V）的模式[2]。根据几何形状，WGM谐振器有多种类型，如球形[3]、圆盘形[4]、环形[6]、环形[7]、瓶形[8]等。其中，微瓶谐振器（MBR）最早由Sumetsky等人[9]从理论上进行了研究，这些谐振器沿轴线展示出量子化的模式，其特性受细长边界墙的控制。MBR因其出色的性能而受到广泛关注，例如在模式转折点处场强增强[10]，以及沿轴线延伸的模式场分布同时保持高Q值[11]，这使其在腔量子电动力学（CQED）研究[12]和微激光器[13][14][15][16][17]中具有潜在应用价值。
与WGM相关的衰减尾部暴露在MBR的外界干扰中。由于干扰导致的高Q值共振模式发生位移，使其适用于传感应用。人们已经尝试开发MBR传感器，例如湿度传感器[18][19][20]、磁性材料传感器[21]、凝胶化过程传感器[22]、化学传感器[23][24]和温度传感器[25][26]。然而，这些应用需要可调激光源，并且涉及复杂的锥形光纤耦合几何结构来激发WGM。另一种激发WGM的方法是通过自由空间激发，即在该谐振腔中掺入染料分子或量子点，并使用外部单色光源进行光学泵浦。文献中报道了温度对WGM的影响[27][28][29]，但对掺杂MBR中的这种影响研究较少。最近研究了掺入自组装聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）MBR中的量子点的温度依赖性[30]，并验证了其与基本MBR模式的理论预测的一致性。在这项工作中，我们介绍了掺染染料的MBR的制造细节及其在光学激发下对温度扰动的响应。通过实验和理论计算研究了MBR的方位模式和高阶径向模式对温度扰动的灵敏度。
实验与结果
使用LFS4100（Vytran）切割机，通过“软化-压缩”方法引入连续的SMF 28光纤来制造瓶形凸起结构。将吡罗 methene染料掺入PMMA中，并将其涂覆在二氧化硅MBR上形成光学增益材料。染料涂覆后的MBR的激光阈值约为32 nJ/cm2[31]。选择染料分子浓度为13 M/g，因为其量子产率较高，为0.94[32]。图1(a)展示了制备的吡罗 methene的光学显微镜图像
结论
总之，我们制备了掺有吡罗 methene染料的PMMA涂层的二氧化硅MBR。采用自由空间条纹激发方法选择性地激发赤道区域的空间增益分布，从而观察到等间距的共振模式。使用高分辨率光谱分析仪记录发射光谱，能够观察到基模和高阶径向模式。研究了热扰动对MBR激光模式的影响，其灵敏度为80 pm/°C
作者贡献声明
Subhajit Dutta：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、验证、软件开发、数据分析、概念化。
Sarbojit Mukherjee：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、验证、数据分析、概念化。
Shivakiran Bhaktha B.N.：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论研究、资金获取、数据分析、概念化。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Shivakiran Bhaktha B N报告获得了科学与工程研究委员会（Science and Engineering Research Board）的财政支持；Shivakiran Bhaktha B N还获得了印度空间研究组织（Indian Space Research Organization）的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响研究结果。
致谢
作者感谢印度科技部科学和技术部（DST/TTI/TDP-21/2024、SR/FST/PS-II/2022/207）以及印度空间研究组织（SAC/SEDA/EOSDIG/SSD/2023/1）资助的项目提供的财政支持。
