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硫系玻璃微球谐振腔的制备与表征研究

张兴迪  
【摘要】:近年来,回廊模(Whispering-Gallery Mode,WGM)特性光学微球腔因具有高品质因数(Q-factor)、极小的模式体积(Vm)、窄线宽等优点,吸引了众多学者的研究兴趣。同时,微球腔体积极小,腔内能量密度极高,并且其光学性能优良,制备方法简单方便,易于与其他器件集成。基于以上优良特性,光学微球腔在低阈值激光器、非线性光学、腔量子电动力学、高灵敏度传感器和窄带滤波器等诸多领域都有非常大的应用潜力。本论文主要研究无源和Tm~(3+)掺杂有源硫系玻璃微球腔的制备及其回廊模式的表征。硫系玻璃作为一种新型红外光功能玻璃,具有较宽的红外透过窗口(透过范围0.5~25μm)、较高的红外光谱透过特性(透过率大于60%)、极高的线性与非线性折射率(n1=2.0~3.5,n2=2.0~20×10~(-18) m~2/W)以及极低的声子能量(小于350 cm-1)等特点。因此,本论文围绕硫系玻璃微球谐振腔的制备工艺与相关光学特性进行深入研究,其详细内容如下:论文第一章为绪论,主要介绍了回廊模式微腔尤其是玻璃微球腔的国内外研究现状和近几年来的重点应用领域。然后提出了本论文的研究内容为无源和有源Tm~(3+)掺杂硫系玻璃微球的制备及表征,本章最后介绍了本论文工作的内容和意义。论文第二章为微球腔基础理论介绍。从麦克斯韦方程组出发,对微球谐振腔中的回廊模式场解进行了分析,进一步得到模式的特征方程、解析表达式以及描述某一模式的四个特征量。最后介绍了光在光纤锥中的传播及微球腔与光纤锥的耦合系统。论文第三章为全部实验流程介绍部分。首先介绍了硫系玻璃的制备方法和流程,并在此基础上介绍了玻璃微球谐振腔的制备过程。然后对石英光纤锥的制备装置,制备过程进行了阐述,通过装置改进得到了实验要求的光纤锥。最后介绍了微球谐振腔与石英光纤锥耦合测试系统。论文第四章重点介绍无源Ge_(28)Sb_(12)Se_(60)(简称Ge_(28))硫系玻璃微球谐振腔特性研究。首先介绍了Ge_(28)样品玻璃的制备及其性能测试。然后介绍了Ge_(28)玻璃微球的制备结果,从中可以看到我们制备的Ge_(28)微球腔具有良好的球形度和表面光洁度。接着介绍了Ge_(28)微球腔与石英光纤锥的耦合测试过程,成功得到其光学回廊模光谱并对其特性进行分析。最后是对Ge_(28)微球腔的Q值进行测试分析。得到微球在1544.86 nm处的品质因数Q≈1.717×104。论文第五章主要是对Tm~(3+)掺杂Ge-Ga-S玻璃微球谐振腔特性的研究。首先介绍了制备Tm~(3+)掺杂Ge-Ga-S基质玻璃的过程,然后介绍了玻璃样品的相关性能测试并利用已有基质玻璃制备了Tm~(3+)掺杂Ge-Ga-S玻璃微球腔。最后是Tm~(3+)掺杂Ge-Ga-S玻璃微球腔与石英光纤锥的耦合系统搭建、荧光回廊模特性分析以及Q值测试分析。论文第六章为本论文总结部分,提出了研究过程中存在的问题以及在日后的工作中需要进一步探讨的地方。


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