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光学微球腔中的若干光学新现象研究

王吉有  
【摘要】: 吸收系数较低的介电微球(直径从几微米到几百微米之间)是品质因数很 高的光学微腔。这类介电微球对光的辐射压、瑞利散射、拉曼散射、荧光发射、 吸收系数及消光系数等存在波长依赖效应,展现在光谱中都存在很窄的共振峰, 这些峰的位置(波长)依赖于微球的形貌(尺寸、形状和折射率)。这类介电微球 可被用于低阈值微球激光器、室温烧孔存储器、窄带信道下载滤波器、腔量子 电动力学效应等现象的应用和研究。本论文全面系统地研究了玻璃微球的腔量 子电动力学效应、玻璃微球内稀土材料和基质材料的荧光光谱(含上转换发光) 和拉曼光谱的形貌共振、玻璃微球对其外表面附近荧光光谱的调制,在这个领 域取得了若干新结果: 1.首先从理论上分析了影响微球腔量子电动力学效应的因素,得出:对于直 径大于20μm的微球腔,在其自然共振频率处,光子自发辐射速率相对于自由 空间中的增强因子(即腔量子电动力学效应增强因子)随尺寸参量的增大而减 小,随材料折射率的增大而增加。 2.首次测量了高钡玻璃微球的荧光发射光谱和TiBa玻璃微球的喇曼光谱, 并对测量结果进行了分析,得出高钡玻璃微球材料在760nm处的折射率为 1.874,微球腔内TE_(88)~2形貌共振腔模的腔量子电动力学效应增强676倍,即获 得了自发辐射速率增强高达676倍的胶量子电动力学增强效应。 3.首次制备了掺稀土Er~(3+)以及Er~(3+)/Yb~(3+)共掺的高折射率BTS玻璃微球,使用 633nm和976nm激光激发,测量了BTS玻璃以及该材料微球的上转换绿光发 光,绘出了荧光发射强度随泵浦光功率的变化曲线并进行了拟合,证实其发光 为双光子吸收发光。在微球的荧光光谱上发现了很强的形貌共振峰。 4.首次发现,使用976nm激发时,Er~(3+)/Yb~(3+)共掺BTS玻璃的525nm发光峰 强度与548nm发光峰强度的比值随泵浦功率的变化而变化,在低泵浦功率(小于 30mW)时,525nm峰强度小于548nm峰强度,而当泵浦功率大于30mW(面功 率密度1000W/cm~2)时,525nm峰的强度大于548nm峰的强度,其强度差越来 越大。我们对此现象进行了研究,发现是被测材料吸收泵浦光能量后的温度升 高导致~2H_(11/2)和~4S_(3/2)两能级中布居数比值变化而引起的。 5.测量并分析了玻璃微球外表面oxazine1液体染料荧光的发射光谱和玻璃 微球外包有恶嗪染料薄层的染料的荧光光谱。结合实验,对H.Fujiwara等人提 出的介电微球外表面附近荧光材料发光调制机理的解释进行了讨论,指出他们 解释的不完整性,我们指出:荧光形貌共振峰是与微球产生作用的荧光被微球 散射而形成的形貌共振峰。未进入微球内共振模而从微球射出的荧光以及被微 球散射的荧光中不满足形貌共振条件的部分直接照向探测器,共同形成荧光背 底,因此我们测量到的荧光背底比从易逝场理论出发估计的值要大得多。


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