回音壁模微腔中非線性光學(xué)及其應(yīng)用的研究.pdf

1、回音壁模(Whispering Gallery Mode，WGM)光學(xué)微腔是一種環(huán)狀結(jié)構(gòu)的光學(xué)微腔，光子沿其內(nèi)壁不斷全反射而構(gòu)成諧振模式。得益于腔體較低的材料損耗、輻射損耗以及散射損耗等，回音壁模微腔特別是由表面張力作用形成的微球腔、類微球腔等具有超高的品質(zhì)因子。這種高品質(zhì)因子結(jié)合微腔本身具備的小模式體積，可以顯著地增強(qiáng)光子與物質(zhì)的相互作用，從而使其非常適合腔量子電動力學(xué)、非線性光子學(xué)、微型傳感器等領(lǐng)域的研究。本論文以高品質(zhì)因子回音壁模

2、微腔為載體，借助受激布里淵散射和四波混頻等非線性過程，探討微腔在低閾值布里淵激光器、光學(xué)頻率梳(Optical Frequency Comb，OFC)及其衍生的窄線寬微波源、超短脈沖產(chǎn)生等領(lǐng)域的應(yīng)用。主要學(xué)術(shù)研究工作如下:
　　1.WGM微腔布里淵激光器與微波信號合成
　　受激布里淵散射在低閾值激光器、窄線寬微波源、快/慢光合成等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值。本文在高品質(zhì)因子石英微腔中實(shí)現(xiàn)閾值僅為8μW的受激布里淵激光器，并在0.6

3、 mW的耦合泵浦功率下，觀察到多達(dá)5階的級聯(lián)布里淵激射。借助于微腔中熱動力引起的諧振頻率漂移，通過泵浦光、布里淵斯托克斯信號光拍頻，在泵浦光處于掃頻狀態(tài)時，可實(shí)現(xiàn)中心頻率可調(diào)諧的微波源，而在熱鎖定狀態(tài)下，拍頻結(jié)果為頻率固定的窄線寬微波信號。利用高峰值功率（百毫瓦量級）脈沖光泵浦，進(jìn)一步觀察到多達(dá)15階的級聯(lián)受激布里淵散射現(xiàn)象，這一結(jié)果有望促進(jìn)微腔在100 GHz量級微波信號源的應(yīng)用。
　　盡管在石英微腔中可以觀察到超低閾值的受激布

4、里淵散射現(xiàn)象，但是諸如碲化物玻璃等軟玻璃材料微腔中的受激布里淵散射仍未被發(fā)掘。為此，本文利用高溫熔融淬火、拉絲工藝制備了組分為70TeO2-20ZnO-5Na2O-5La2O3（摩爾比）的碲化物玻璃絲，并利用二氧化碳激光加工技術(shù)制備出品質(zhì)因子高達(dá)1.3×107的碲化物微球腔。通過單頻激光泵浦，進(jìn)一步在碲化物微腔中觀察到低閾值的受激布里淵散射現(xiàn)象。通過泵浦光與布里淵激光拍頻測得該碲化物材料在1550 nm波段的布里淵頻移量為8.2 GHz

5、?？紤]到通光窗口可以達(dá)到6μm，高品質(zhì)因子碲化物微球腔有望在中紅外波段的非線性光學(xué)中產(chǎn)生重要的應(yīng)用。
　　2.WGM微腔OFC及其超短脈沖、超窄線寬微波信號合成
　　OFC已經(jīng)在光譜學(xué)、精密測量、光鐘等領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的影響。本文主要借助四波混頻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)基于回音壁模微腔的微型OFC，主要研究結(jié)果如下:(a)以1550nm波段的單頻可調(diào)諧激光器作為泵浦源，通過掃頻和熱鎖定方式分別在石英微腔中實(shí)現(xiàn)低功耗的寬帶級聯(lián)四波混頻和穩(wěn)定的O

6、FC;OFC展現(xiàn)出多樣性和梳齒間隔的可調(diào)諧性。(b)觀察到一種新型的背向OFC，即微腔中的布里淵激光通過四波混頻效應(yīng)引發(fā)背向傳輸?shù)腛FC，與前向OFC相比，背向OFC的梳齒具有更高的信噪比以及潛在的超窄線寬特性;在高峰值功率脈沖光泵浦下，背向OFC的帶寬可拓展至450nm以上。(c)在石英毫米腔中實(shí)現(xiàn)相位鎖定的OFC，并測試出梳齒的相位信息;通過波形整形器調(diào)整梳齒相位后觀察到與理論預(yù)測一致的超短脈沖;作為另一項(xiàng)應(yīng)用，利用該鎖相OFC梳齒

7、間的拍頻，可以實(shí)現(xiàn)超窄線寬微波信號。
　　3.利用光纖環(huán)腔/微腔耦合激光系統(tǒng)產(chǎn)生單頻激光與OFC
　　為了擺脫微腔OFC對外部單頻可調(diào)諧泵浦源的依賴，提出一種新的方案來產(chǎn)生OFC。即利用高品質(zhì)因子微腔作為光纖激光器的反射鏡，先產(chǎn)生單頻激光，再利用新產(chǎn)生的單頻激光泵浦微腔自身產(chǎn)生參量振蕩信號，最后在光纖環(huán)腔中摻鉺光纖增益的放大作用下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的OFC。該OFC同樣呈現(xiàn)出多樣性，梳齒擁有為一倍、多倍或者混合的自由頻譜范圍。在拉曼增