回音壁模式球微腔的制備及其應用研究.pdf

1、近年來，具有高品質(zhì)因子(Q)和低模式體積(V)的回音壁模式微腔吸引了眾多學者的研究興趣。光學回音壁模式（Whispering Gallery Mode，WGM）是指在微腔內(nèi)部，光以全反射的形式傳播，使得光被約束在腔內(nèi)并沿著赤道面繞行，當光程等于波長整數(shù)倍，即滿足相位匹配條件時，會產(chǎn)生等間隔分立的共振模，這種電磁場模式被稱作回音壁模式?；匾舯谀Ｊ轿⑶怀叽鐦O小，腔體內(nèi)部能量密度極高，并且制作過程簡單方便，成本低廉，易于集成?；谝陨线@些特性

2、，回音壁模式微腔作為重要的光學器件被應用于眾多領域，例如非線性光學、腔量子電動力學、光學濾波器、高靈敏度傳感器和低閾值激光器等。
　　本文從理論和實驗兩個方面出發(fā)對基于回音壁模式的光學微腔進行了研究探索。具體的研究內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　首先，回顧了近些年來回音壁模式光學微腔的研究背景和研究進展，并結合具體實例簡單介紹了回音壁模式光學微腔的應用情況。
　　其次，介紹回音壁模式光學微腔和錐形光纖的模式理論基礎。通過結

3、合Maxwell方程和球微腔的邊界條件，對球微腔中的模式分布進行分析，并對球微腔的基本特性進行了簡要介紹;采用商業(yè)軟件COMSOL Multiphysics提供的有限元數(shù)值分析方法對球微腔中的模式進行數(shù)值模擬，得到了球微腔內(nèi)赤道面上回音壁模式的分布情況。利用光射線法對錐形光纖的模式特性進行了簡單探討，并使用COMSOL Multiphysics軟件對不同纖芯直徑的光纖橫截面上的光場分布進行仿真模擬，得到其光場分布。將錐形光纖與球微腔耦合

4、系統(tǒng)作為整體，對其耦合理論基礎進行了分析。
　　然后，搭建了使用氫氣火焰加熱法制備錐形光纖的實驗系統(tǒng)，制備出實驗需要的、直徑在微米量級的錐形光纖。設計了高溫熔融冷卻法制備球微腔的實驗系統(tǒng)，使用二氧化碳激光器加熱熔融單錐光纖，制備出不同直徑（約60μm-125μm）的球微腔。使用寬帶光源，光譜分析儀和CCD監(jiān)控裝置搭建了錐形光纖與光學微腔耦合系統(tǒng)，測量球微腔的品質(zhì)因子。利用球微腔與錐形光纖耦合系統(tǒng)實現(xiàn)了基于球微腔與錐形光纖耦合系統(tǒng)的

5、摻鉺光纖激光器，實驗中使用摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，球微腔作為濾波器和反射鏡使用，與錐形光纖進行耦合，使用980nm激光二極管作為泵浦源，實現(xiàn)波長為1563.95 nm的激光輸出，該激光器的閾值為42.86mW，最大輸出功率為0.1 mW。
　　最后，使用氫氣火焰加熱法制備錐形光纖的實驗系統(tǒng)制備出直徑漸變的圓柱形微腔。對錐形光纖與圓柱形微腔耦合系統(tǒng)進行測試，得到圓柱形微腔的品質(zhì)因子。使用直徑漸變圓柱形微腔（直徑約為21μm-38.7μ