基于高Q石英微球腔的光学应用研究

发布时间：2020-06-17 01:35

【摘要】：我们知道天坛内声音可以沿其内壁传播很远的距离,同样的,短波长的光子也可以在回音壁模微腔的内表面通过全内反射的方式沿着赤道面传播。当光波沿着WGM微腔环行一周的光程等于腔内光子波长的整数倍时,光可以在微腔内形成稳定谐振。正是微腔的这种超强的光场限制能力,辅于相对较小的模式体积,使得在低功率的泵浦耦合下光与物质相互作用能够大大增强,因此微腔在非线性光学、微型传感和超窄线宽滤波等领域得到广泛应用。本文主要提出高Q石英微球腔在位移传感和窄线宽反射滤波方面的应用,尝试利用微球产生的布里渊激光进行位移传感,利用高Q微腔的窄线宽反射滤波功能实现单频调Q光纤激光器。主要研究工作如下:(1)理论上模拟分析了金属干扰物对微腔谐振模式的影响基于时域有限差分电磁场模拟方法,研究分析了金属对微腔谐振模式的干扰影响,包括二维金属位移干扰与三维金属位移干扰。分别改变金属形态(金属与微腔谐振接触面积)模拟了两者不同距离时微腔谐振模式的场分布、Q值以及谐振波长的变化,结果显示:(1)金属干扰物对微腔谐振模式有“压缩”作用,临近金属的部位场强度明显减弱;(2)随着金属的靠近,表面等离子体引发的损耗增加,微腔Q值有所下降;(3)随着金属靠近,高Q谐振模式向短波方向移动(蓝移),且随着金属与场接触面积增大,蓝移效果越明显。(2)一种新型的微球腔封装方法及布里渊位移传感的实验研究提出一种新的封装方法,将光纤锥与微球腔固定在同一个“U”型片上,只将微球腔的光纤柄部分用紫外固化胶固定而不会破坏腔锥耦合,因此对耦合系统Q值影响很小。将耦合系统放在干净的塑料盒中,尽量避免受到外界环境干扰与污染。另外,在理论模拟的金属探针对微腔场分布的干扰影响的基础上,实验研究了金属探针对微球腔中布里渊激光的影响。由石英微球腔中布里渊激光器的热学特性可知,波长蓝移将导致激光输出功率的增加,因此当金属探针的靠近微球腔时,实验上观察到布里渊激光功率增大,实验上得到了理论预测的结果,为微激光器的位移传感提供可实现方案。(3)利用微球腔作为反射镜以及窄线宽滤波器实现了单频被动调Q光纤激光器实验研究了将微球腔作为光纤环形腔的反射镜实现单频被动调Q激光器,采用掺铒光纤作为增益介质、碳纳米管作为可饱和吸收体、利用微腔的窄线宽反射及滤波作用实现了波长1549.02nm的稳定单频调Q激光,重复频率变化范围为156.25kHz-316.46kHz,最窄脉宽为0.4μs,单频激光的基频信噪比SNR高达49dB,说明此单频激光处于高稳定状态,激光线宽低于50kHz。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248
【图文】：

微腔,光学微腔,球腔

制备的光学微球腔，容易获得极氋的品质因子在低阈值或单频激光器，光学逡逑非线性和光学传感等领域得到广泛的应用，本文围绕光学微球腔展开其应用研究。逡逑图１．１邋Ｕ）第一台红宝石激光器；（ｂ）微腔内单个量子调控实验装置示图。逡逑１．２光学微腔的分类及ＷＧＭ微腔的应用逡逑１．２．１光学微腔的分类逡逑根据微谐振腔对光的不同限制机理，可分为法布里－拍罗（Ｆａｂｒｙ－ＰＳｒｏｔ，Ｆ－Ｐ）逡逑型微腔、光子晶体（ＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌ，ＰＣ）型微腔、回音壁模（ＷｈｉｓｐｅｒｉｎｇＧａｌｌｅｒｙ逡逑Ｍｏｄｅ，ＷＧＭ）微腔。图１．２为典型的Ｆ－Ｐ和ＰＣ型微腔结构图。逡逑ｊ邋ｐｈｏｔｏｎ邋Ａ逡逑Ｉ邋１邋霪逦：逡逑ｑｕａｎｔｕｍ逡逑ｄ￡）ｔ邋■邋＂逡逑—ｍ逡逑图１．２图（ａ）为一种典型的Ｆ－Ｐ型微腔；图（ｂ）为一种典型的ＰＣ型微腔。逡逑（１）邋Ｆ－Ｐ型微腔：法布里－珀罗（Ｆａｂｒｙ－Ｐ６ｒｏｔ，Ｆ－Ｐ）光学谐振腔简称Ｆ－Ｐ腔，逡逑是激光领域中最常见的一种腔体，大多的固体激光器和半导体激光器均都懫用这逡逑种腔结构，在光学微腔中也是最早开始研究的，它通常是由两个相对放置的镜片逡逑２逡逑

微腔,红宝石激光器,量子,实验装置

根据微谐振腔对光的不同限制机理，可分为法布里－拍罗（Ｆａｂｒｙ－ＰＳｒｏｔ，Ｆ－Ｐ）逡逑型微腔、光子晶体（ＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌ，ＰＣ）型微腔、回音壁模（ＷｈｉｓｐｅｒｉｎｇＧａｌｌｅｒｙ逡逑Ｍｏｄｅ，ＷＧＭ）微腔。图１．２为典型的Ｆ－Ｐ和ＰＣ型微腔结构图。逡逑ｊ邋ｐｈｏｔｏｎ邋Ａ逡逑Ｉ邋１邋霪逦：逡逑ｑｕａｎｔｕｍ逡逑ｄ￡）ｔ邋■邋＂逡逑—ｍ逡逑图１．２图（ａ）为一种典型的Ｆ－Ｐ型微腔；图（ｂ）为一种典型的ＰＣ型微腔。逡逑（１）邋Ｆ－Ｐ型微腔：法布里－珀罗（Ｆａｂｒｙ－Ｐ６ｒｏｔ，Ｆ－Ｐ）光学谐振腔简称Ｆ－Ｐ腔，逡逑是激光领域中最常见的一种腔体，大多的固体激光器和半导体激光器均都懫用这逡逑种腔结构，在光学微腔中也是最早开始研究的，它通常是由两个相对放置的镜片逡逑２逡逑

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