新型光学微腔激光器的构造及其方向性激光出射的研究

【摘要】： 光学微腔是一种尺寸在微米量级或者亚微米量级的光学谐振腔，它利用在折射率不连续的界面上的反射、全反射、散射或者衍射等效应，将光限制在一个很小的区域。由于腔体积的减小，腔内通常只能支持一个或者几个光学模式的谐振，因而置于腔内的原子或者分子的自发辐射性质会受到影响从而得到激光出射。光学微腔在微型激光器和光通信器件等领域内有着广泛的应用价值。 本论文集中研究了新型微腔激光器的构型和激光出射特性，设计并制备了一系列新型有源微谐振腔，在激光泵浦的条件下研究了微腔的光谱、阈值以及方向性激光出射的特性。 本论文的主要创新点如下： 1．提出了一种新的利用溶胶-凝胶技术制备高Q平面光学微腔的方法，可在低温(150度)下高质量地制备得到布拉格反射镜，进而得到平面微腔。这种方法在有机平面微腔的制备上具有特别的优势。采用该方法制备得到的有机微腔的Q值比以往报道提高了一个量级。 2．通过人工构造随机皱褶表面的有源光学波导，获得纵向模式可控的波导随机激光。通过有效折射率近似，将波导表面无序的二维体系转化成一维多层膜结构，并利用传输矩阵方法对随机模式以及模式的场分布进行了数值模拟，模拟结果和实验相符。 3．提出了一种新的平面微腔和随机微腔耦合的平面随机微腔激光器。在这种新的结构中得到了平面微腔所不具有的高Q值(大于20000)，也得到了随机激光所希望的低阈值(降低了4-5个数量级)，以及很好的方向性激光出射(1.5-1.6度)，并给出了平面随机微腔方向性出射的物理解释。在此基础上制备了含液晶层的平面随机微腔激光器，通过改变环境的温度，得到了波长可调谐的方向性出射的随机激光。 4．利用溶胶凝胶技术制备了一系列有机／无机复合材料哨子状的光学微盘，并得到了这种微盘的单方向性激光出射。这个结果对两种螺旋微腔的激光出射机理进行了有效的区分，证明了内角衍射是螺旋微腔激光出射的主要机理。