回廊模微腔器件的熔锥耦合实验研究

论文摘要

近年来,光子学微结构中的柱/碟、环/线、球等几何微腔已在微腔激光器件和光谱技术应用中取得重大进展。本文将熔锥光纤与球/柱微腔作为一个有机的整体进行耦合实验研究,发现了吸收光谱中等间距的分立的结构共振峰,并且进一步对共振峰的特点进行了实验研究。我们首先回顾了近年来球/柱微腔特性的研究状况和微腔耦合器的近期发展,并对微腔的应用情况进行简要介绍。其次,我们从理论的角度出发,利用Mie散射理论得到了球微腔内外的电磁场分布,分析了球微腔的有关特性,再把球微腔的相关理论近似应用在柱微腔的分析中,对实验的开展有非常重要的指导意义。接着对熔锥光纤的理论进行探讨,从一般光纤的场解入手,推导出弱导光纤和熔锥光纤锥腰的场解。然后根据微球与熔锥光纤场模的分布构造了微球与熔锥光纤的耦合系统,从场传输耦合方程推导了耦合系统的透射率。讨论了球微腔与熔锥光纤的间距等因素对耦合系统的透射率的影响。并分析了耦合系统的三种耦合情形:欠耦合、临界耦合、过耦合。再次,我们设计了CO2激光熔融与拉制熔锥光纤的系统,制备了实验需要的熔锥光纤,将系统进行扩展,制备了石英球/柱微腔。将上海光机所提供的掺铒磷酸盐玻璃进行高温熔融抽丝,选择直径适当的玻璃丝进行断面处理,再利用扩展的系统烧制出掺铒玻璃球微腔。最后,我们搭建了耦合实验需要的平台,先将石英球微腔与熔锥光纤进行耦合,发现了明显的回廊模式结构共振峰,并对共振峰的模式分裂现象进行了研究。然后详细的介绍了掺铒磷酸盐玻璃球微腔与熔锥光纤耦合实验,对其吸收光谱上结构共振峰的波长、峰间间距以及光反馈进行研究。同时,对柱微腔与熔锥光纤的耦合系统进行了实验研究。本论文工作得到国家自然科学基金资助,项目名称:“稀土掺杂氟化物玻璃球微腔激光器”,项目编号:60277026。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1.1 微腔及其耦合体系的研究历史
• §1.2 球微腔、柱微腔的发展及应用
• §1.2.1 腔体量子电动力学及低阈值激光器的应用
• §1.2.2 极高灵敏度的运动传感器
• §1.3 国内关于球/柱微腔的研究进展
• §1.4 本文的结构安排
• 第二章 微腔器件及熔锥光纤的理论分析
• §2.1 球微腔的理论与特性
• §2.1.1 球微腔的场解
• §2.1.2 球微腔的特征方程
• §2.1.3 球微腔的基本参数
• §2.2 柱微腔的理论分析
• §2.3 熔锥光纤传播特性
• §2.3.1 光纤的特性
• §2.3.2 弱导光纤的场解
• §2.3.3 熔锥光纤及其场解
• §2.4 本章小结
• 第三章 熔锥光纤和微腔的耦合系统分析
• §3.1 系统品质因子Q
• §3.2 微腔与熔锥光纤的耦合系统分析
• §3.2.1 耦合系统理论分析
• §3.2.2 耦合系统参数分析
• §3.3 本章小结
• 第四章 熔锥光纤和微腔的制备
• §4.1 熔锥光纤的制备
• §4.1.1 熔融拉锥方法的比较和选择
• 2激光熔拉系统结构与控制'>§4.1.2 CO₂激光熔拉系统结构与控制
• §4.1.3 实验操作情况与实验结果
• §4.2 球/柱微腔的制备
• §4.2.1 几种球微腔制备方法的对比
• §4.2.2 球微腔的制备
• §4.2.3 柱微腔的制备
• §4.3 本章小结
• 第五章 微腔吸收光谱上的形貌共振现象
• §5.1 石英玻璃球微腔吸收光谱上的形貌共振
• §5.1.1 实验结构
• §5.1.2 实验结果与分析
• §5.2 掺铒磷酸盐玻璃球微腔吸收光谱上的形貌共振
• §5.2.1 掺铒磷酸盐玻璃的特性
• §5.2.2 掺铒磷酸盐玻璃球微腔的光谱特性
• §5.3 石英玻璃柱微腔吸收光谱上的形貌共振
• §5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• §6.1 本文总结
• §6.1.1 本文的创新点
• §6.2 今后的研究工作展望
• 参考文献
• 硕士期间发表论文
• 硕士期间获奖情况
• 致谢