小孔圆盘复合结构微腔谐振器的制备与研究

发布时间：2017-08-26 21:23

  本文关键词：小孔圆盘复合结构微腔谐振器的制备与研究

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【摘要】：当光在旋转对称腔体的边缘传播时发生全反射,光会被强烈地限制在电介质微腔中振荡从而产生离散的振动模式,我们通常称这种模式为回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM),这种腔为回音壁模式谐振腔。WGM微腔谐振器具有模式体积小,品质因子高,激射阈值低和易于集成等特点,被广泛地应用于非线性光学,量子动力学,低阈值激光器等领域。然而,由于其光激射具有各向同性和模式数量多,限制了这种WGM微腔谐振器在广泛领域的应用。为了实现微腔的定向激射,研究者们提出了非旋转对称型的微盘结构,如柱状腔,螺旋腔等。本文中,我们的主要工作是采用飞秒激光直写技术制备小孔圆盘复合结构微腔谐振器,并研究表征它们的激射性能。近年来,飞秒激光直写技术由于其精度高、三维可加工、图案可控等优势逐渐成为微纳加工领域的主要技术手段。飞秒激光脉冲经由高数值孔径的浸油物镜聚焦到掺有增益介质的光刻胶材料内部。材料在激光脉冲的焦点及附近发生双光子吸收,进而引起有机单体的光致聚合效应。通过程序控制激光焦点逐点移动扫描光刻胶,从而使材料内部与设计的图案对应的特定区域发生光聚合。最后,用显影液清除未曝光的区域即可得到设计的三维结构。本文采用飞秒激光直写技术诱导光刻胶材料的双光子聚合,可制备出形状可控的任意三维立体结构。J.Wiersig于2006年提出在微盘上加一固定的空气小孔能够产生高Q模式的定向激射。本文从实验上验证了小孔圆盘复合结构微腔谐振器的定向激射,并产生单模激射。微盘整体直径为20微米,小孔直径约0.6微米,小孔距离微盘的边缘为1微米。制备微盘的材料为掺有增益介质罗丹明B(Rhodamine B)的SU-8光刻胶,SU-8具有较好的光学性能和机械性能,并且对400纳米以上的光吸收很低。首先,本文介绍了WGM微腔谐振器的发展现状和应用。接着,介绍了飞秒激光直写技术。然后,利用飞秒激光直写制备小孔圆盘复合结构微腔谐振器,并对小孔圆盘的几何形貌进行表征。通过搭建的皮秒激光泵浦测试系统对小孔圆盘微腔的激射性能进行了表征。测试发现,小孔圆盘微腔激光器的阈值比传统微盘激光器的阈值更小,且有较高的Q值,其Q值大于2600,同时它的激射峰线宽很窄,仅有0.24纳米。同时,小孔圆盘微腔激光器还实现了单一模式激射的定向输出,其远场发散角约为10度,并利用Rsoft软件对实验结果进行了理论模拟分析。由于聚合物的低耗与化学兼容性较好,本文制备的小孔圆盘微腔激光器所具有的优点使其在集成有机光电器件方面有着巨大的应用前景。
【关键词】：飞秒激光直写 回音壁模式 单模激光器 定向激射
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN248
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 概述10
• 1.2 回音壁模拟微腔的简介10-16
• 1.2.1 回音壁模式微腔的主要参数12-14
• 1.2.2 回音壁模式微腔的发展与应用14-16
• 1.3 本论文的主要内容16-17
• 第二章 飞秒激光直写技术17-25
• 2.1 飞秒激光直写技术简介17-18
• 2.2 飞秒激光直写技术的基本原理与特点18-22
• 2.2.1 飞秒激光直写技术的基本原理18-21
• 2.2.2 飞秒激光直写的特点21-22
• 2.3 飞秒激光直写加工系统22-25
• 第三章 小孔圆盘微腔谐振器的制备与表征25-38
• 3.1 小孔圆盘复合结构的设计与制备25-26
• 3.2 小孔圆盘微腔几何形貌的表征26-28
• 3.3 测试系统的搭建28-29
• 3.4 测试结果与分析29-34
• 3.4.1 小孔大小不变、位置改变30-31
• 3.4.2 小孔位置不变、大小改变31-34
• 3.5 多孔圆盘微腔的制备与表征34-38
• 第四章 小孔圆盘微腔谐振器的理论模拟与分析38-46
• 4.1 FDTD的基本理论38-41
• 4.2 FDTD的稳定性条件与模拟41-43
• 4.2.1 稳定性条件41
• 4.2.2 Rsoft的模拟41-43
• 4.3 微腔模拟的结果与分析43-46
• 第五章 总结与展望46-48
• 参考文献48-53
• 作者简介及科研情况53-54
• 致谢54

【参考文献】

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本文编号：743024