光与物质的相互作用是光学领域的一个重要课题,如何提高这种相互作用就变得尤为重要。光学谐振腔能够通过提高能量密度来增强光与物质的相互作用,因而广泛应用于各个领域,例如激光的产生、光学传感、量子信息等等。很久以来光子晶体微腔就受到关注,这是因为它不仅具有普通光学谐振腔的性质,而且能够在微纳尺度通过带隙对光进行调控。例如硅基的二维光子晶体微腔具有极小的模式体积和极高的腔品质因数(Q值)。近些年来,基于微纳光学波导的微腔开始受到人们的关注。这种基于微纳光纤波导的微腔具有较强的倏势场,可以更加方便的实现微腔与波导外物质的相互作用。但是目前为止,出于材料本身以及设计制备的原因,基于二氧化硅光纤微腔布拉格反射镜的周期性单元两种材料组分的折射率反差通常很低,因此反射镜需要几百个周期的厚度才能实现对光的有效束缚。另外,基于二氧化硅的微腔虽然具有较大的倏势场,但同时也更容易发生辐射从而产生更多的额外的损耗。针对这些问题,本论文进行了基于微纳光纤波导的光子晶体微腔以及降低微腔损耗的研究。然后基于制备的微腔,进一步研究它的一些应用问题。论文主要包括以下内容:1.在理论和实验上实现了基于微纳光纤波导的具有超带宽的一维光子晶体微腔,并通过辐射波耦合模型的设计降低了微腔的损耗。在直径为1.7 um的微纳光纤波导上,利用FIB刻蚀技术中间刻蚀孔洞,每个反射镜仅包含十一个周期的孔洞,实现了带隙宽度为150 nm的一维光子晶体微腔,并且能够自由悬浮在空气中,便于实际应用。孔洞尺寸的设计原则是让每个周期中的折射率差尽可能大,同时尽量保证微纳器件的机械强度。接下来通过辐射波干涉法进行结构的优化设计,降低微腔的损耗。实验上通过改变微腔内侧的两个孔洞的尺寸,实现辐射波的干涉相消,达到降低损耗的目的。2.基于微纳光纤波导的具有超宽带隙的一维光子晶体微腔,实验上成功地实现了对直径为2 um的聚苯乙烯小球的测量。微腔的性质主要基于一维光子晶体理论的预期、时域有限差分(FDTD)仿真和实验光谱的测量和确定。微腔反射镜的穿透深度小,因此模式体积小,能够有效的与腔外的物质发生相互作用,提高探测灵敏度。微腔反射镜具有150 nm的带隙,能有效的拓宽探测应用的光谱范围。另外,器件是自由悬空的,能够方便的对环境中的颗粒进行检测,而不需要复杂的耦合系统。3.在理论上,通过光子晶体微腔倏势场与金纳米棒的相互作用,延长了金纳米棒的表面等离子共振的寿命。将长度为177 nm,直径为8 nm的金纳米棒放置在上述微腔的表面,采用平面波垂直照射金,金激发的表面等离子体共振与微腔的纵模的倏势场相互作用,将半高宽为70 nm的表面等离子体波压缩到了约7 nm,大大延长了表面等离子共振的寿命。为了方便研究微腔腔长变化时,表面等离子波与微腔谐振模式的耦合作用,采用的微腔的腔长为微米量级。理论上发现通过增加微腔的腔长,可以进一步增加金的表面等离子体共振的寿命。