多组分玻璃微球腔激光器的设计与研究

发布时间：2020-10-13 04:33

　　 回音壁模式微腔具有品质因子(Q值)高、结构简单、尺寸小、模式体积小、可在硅片集成等显著优势,因而在集成光子学、低阈值激光、高灵敏度生物传感、腔光力学等诸多领域有广泛的应用。基于回音壁模式的有源微球腔具有高Q值和易于加工制备的特点,是低阈值微型激光器和高灵敏度传感研究领域的热点。本文以“高性能回音壁模式微球腔激光”为目标,围绕着单一模式运转和多波段激射输出两个方面的性能,从理论和实验方面开展了高品质因子回音壁模式有源微球腔的设计、制备及高性能激光输出的研究,具体的研究内容包括以下几个方面:1、高Q值回音壁模式有源微腔的设计与制备。理论研究分析微球腔的主要参数、腔内模场分布、微球腔的高效耦合及激光输出性能等,搭建回音壁模式光学微腔实验平台,通过多种加工技术制备出高Q值的回音壁模式微球腔,开展微腔的耦合与测量实验。通过对Q值不同的Er~(3+)/Yb~(3+)共掺磷酸盐玻璃微柱腔和微球腔开展初步激光实验,均在1.5μm波段实现了低阈值多模式运转的稳定激光输出,理论和实验结果表明高性能微腔激光的输出由微腔Q值、增益系数以及泵浦光耦合状态等多种因素共同决定。此部分研究为后续高性能微球激光研究的开展奠定了理论设计、制备加工和实验探索的基础。2、单一模式运转回音壁模式微球激光的设计与研究。回音壁模式的微球腔存在复杂的高阶模式,导致输出的微球激光以多模式运转。利用Er~(3+)/Yb~(3+)共掺磷酸盐玻璃,成功制备Q值为10~6的微球,通过优化球形度和构建双增益复合微球腔两种方案,均有效实现1.5μm波段处单纵模运转的激光输出,阈值为100μW量级,线宽1.8 MHz,边模抑制比达45.1 dB,有效提高了微球激光的光束质量。3、多波段激射回音壁模式微球激光的设计与研究。激射不同波段激光的微球激光器可极大扩展微球激光的应用领域。基于不同稀土掺杂离子的玻璃制备微球腔,实现不同激射波段的微球激光输出,在实验中基于掺Yb~(3+)磷酸盐玻璃、Er~(3+)/Yb~(3+)共掺磷酸盐玻璃和掺Tm~(3+)锗酸盐玻璃的微球腔分别实现1.0μm、1.5μm和2.0μm多个波段的激光输出,同时基于受激拉曼效应的石英无源微球腔实现1.0μm波段激光输出。并进一步探索研究将不同有源玻璃混熔后制备微球腔,以期通过独立谐振或级联泵浦的方式实现单一微球腔实现激射多个波段的激光。基于不同稀土掺杂玻璃材料和光学非线性效应实现多波段激光输出,此部分研究内容极大丰富了微腔激光的输出波段和拓展了相关的应用领域。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ171.1;TN242
【部分图文】：

第一章 绪论第一章 绪论模式，最早被发现于声学领域[1]，它描述了声波在环形建筑结构式。当声源在环形建筑结构的一侧发出微弱的声波信号，在该结远，仍可以清晰地接收到声源产生的信号。其原因是，声波并不播，而是沿着环形建筑结构不断进行全内反射低损耗传输。类似，光波也能够基于全内反射定律在环形结构内实现低损耗传着回音壁模式微球腔赤道面的运行轨迹：

本文以微球激光作为主要研究内容，通过不同材料的微出并作进一步的性能优化。微腔的简介及对比腔，具有微型化和强场局域化的特点，是近年来基础光学研究有很多类光学微腔被报道出来，如图 1-2 所示[2]，主要有四种类于微腔而言，Q 值是微腔最重要的参数，它是一种对微腔损耗的相关，因此，本节通过 Q 值来对比四种微腔性能的优劣，它的表0Stored energyQ=Power loss 1）是对微腔 Q 值的概念性描述，它是腔内储存的能量与注入光耗的比值，ω 是微腔的谐振频率。

图 1-3 微纳光纤耦合微腔横截面图壁模式微腔中，球形腔、盘形腔以及环形腔这三种微腔的光场束缚 108以上，因此受到全球各地学者的广泛关注，图 1-4 为三种微图 1-4 球形、盘形以及环形回音壁模式微腔的扫描电镜图片模式微腔包括有源微腔和无源微腔两大类。其中，无源腔是指在产生其他波段的激光，基于干涉谐波效应只对注入光实现传输或主要应用有滤波器[12-13]、高精度传感[14-15]等。由于微腔的谐振效用窄线宽可调谐光源扫描微腔，可以得到微腔在不同波长注入情
【参考文献】

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1 邹长铃;董春华;崔金明;孙方稳;杨勇;吴晓伟;韩正甫;郭光灿;;回音壁模式光学微腔:基础与应用[J];中国科学:物理学 力学 天文学;2012年11期

本文编号：2838735