回音壁模式球微腔的制備及其應(yīng)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(xué)者的研究興趣。光學(xué)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(dāng)光程等于波長整數(shù)倍，即滿足相位匹配條件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生等間隔分立的共振模，這種電磁場(chǎng)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(xué)器件被應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，例如非線性光學(xué)、腔量子電動(dòng)力學(xué)、光學(xué)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(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面出發(fā)對(duì)基于回音壁模式的光學(xué)微腔進(jìn)行了研究探索。具體的研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　首先，回顧了近些年來回音壁模式光學(xué)微腔的研究背景和研究進(jìn)展，并結(jié)合具體實(shí)例簡單介紹了回音壁模式光學(xué)微腔的應(yīng)用情況。
　　其次，介紹回音壁模式光學(xué)微腔和錐形光纖的模式理論基礎(chǔ)。通過結(jié)

3、合Maxwell方程和球微腔的邊界條件，對(duì)球微腔中的模式分布進(jìn)行分析，并對(duì)球微腔的基本特性進(jìn)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(duì)球微腔中的模式進(jìn)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(duì)錐形光纖的模式特性進(jìn)行了簡單探討，并使用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)不同纖芯直徑的光纖橫截面上的光場(chǎng)分布進(jìn)行仿真模擬，得到其光場(chǎng)分布。將錐形光纖與球微腔耦合

4、系統(tǒng)作為整體，對(duì)其耦合理論基礎(chǔ)進(jìn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，制備出實(shí)驗(yàn)需要的、直徑在微米量級(jí)的錐形光纖。設(shè)計(jì)了高溫熔融冷卻法制備球微腔的實(shí)驗(yàn)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(xué)微腔耦合系統(tǒng)，測(cè)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行耦合，使用980nm激光二極管作為泵浦源，實(shí)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)制備出直徑漸變的圓柱形微腔。對(duì)錐形光纖與圓柱形微腔耦合系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)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