回音壁模式(Whispering gallery mode,WGM)微腔具有极高品质因子、极小模式体积、以及能极大增强腔内光场与物质相互作用等优点,使其在低阈值激光器、窄带滤波器、量子通信、高灵敏度传感器等多种领域具有重要的应用价值和前景。随着微纳光学技术的快速发展,WGM微腔已趋于器件化、微型化、多元化等实际应用方向发展。本文针对WGM微腔光学特性及传感应用中存在的问题进行理论和实验研究,主要包括对微纳光纤与微腔耦合系统的传输函数、WGM微腔模场分布、耦合相位匹配等进行理论推导和模拟分析,并对基于WGM微管腔在折射率传感和应变传感领域的应用进行实验分析。本文的主要研究内容包括以下几点:1.通过建立微纳光纤与微腔的耦合理论模型,根据电磁场波动理论,推导微腔WGM模式场分布特点、微纳光纤传输常数随直径的变化关系,分析了微纳光纤与微管耦合的相位匹配问题。实验中,通过搭建光纤拉锥系统,利用熔融拉锥法成功制备出损耗较小、重复度好、高质量的微纳光纤;通过搭建微纳光纤与微管腔耦合系统,分析了微纳光纤直径、耦合间距、耦合倾角对谐振模式的影响,对后续实验奠定了理论和实验基础。2.对基于WGM微管腔的折射率传感器件进行优化研究。理论上,通过建立微管折射率传感的理论模型,系统地分析了影响折射率传感灵敏度的主要因素,并提出提高折射率传感器灵敏度的方案。实验中,通过搭建折射率传感测试系统,利用微纳光纤激发微管腔几种不同的WGM模式,提高了低阶模式在折射率传感中的灵敏度,测得3阶径向模式的折射率传感系统灵敏度可达到52.90nm/RIU。3.提出一种基于WGM微管腔的应变传感器,提高了应变传感器的灵敏度,简化了器件结构复杂度。利用有限元软件ANSYS模拟微管在轴向应力下结构的变化;实验证明,当微管轴向施加应变,WGMs谐振峰发生蓝移,且应变响应线性度较好。由于壁厚对微管应变传感系统的灵敏度不同,通过控制壁厚,在0～1750με的应变范围内,应变传感系统的灵敏度可以达到1.18pm/με,Q值为4.4×104。