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熔锥耦合型球微腔器件的回廊模实验研究

张磊  
【摘要】: 回廊模型介质微球腔由于其极高的品质因素倍受关注,已成为现代激光和光电子学领域的新课题。本论文将熔锥光纤与微球作为一个有机的整体进行耦合实验研究,发现在石英微球腔和掺铒磷酸盐微球腔内存在明显的等间距的分立峰。其主要内容如下: 首先,本文详细介绍了球微腔的应用及近年来的发展。从Mie散射理论出发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,对实验的开展有非常重要的指导意义。 其次,在结构和控制方法上对国外CO2激光熔融拉锥系统进行了改进,简化了实验装置。分析了影响拉锥过程的主要因素,利用理论计算的结果简化了装置的控制方法,可以重复性比较好的制得我们所需要的熔锥光纤。对该拉锥系统进行扩展和改进,可进一步制得球形度比较好的石英微球。 另外,对锥形光纤和微球所组成的耦合系统进行了理论分析。采取弱导近似的方法对熔锥光纤的传播常数进行计算,给出了熔锥光纤锥腰作为球腔激光输入输出耦合器件,对于不同直径球腔在基模传播匹配时的锥腰直径。对熔锥光纤与球微腔耦合系统分别处于强耦合、弱耦合、临界耦合分别进行理论模拟,讨论了熔锥光纤与球微腔之间的耦合间距对系统耦合效率的影响。 通过利用CO2激光加工系统制备的石英微球和火焰法制造的锥腰直径3微米左右的光纤进行耦合实验,利用虚拟仪器(Labview)来控制实验仪器,记录实验数据,方便的将多种测试功能集成于一体。在实验中我们发现石英微球腔的吸收光谱中存在明显的分立的结构共振峰。利用光学微球腔理论讨论了石英微球吸收光谱中的结构共振,并用米氏散射理论公式对一阶TE模共振峰的位置以及它们的间距进行计算,共振峰位置实验结果与理论结果的误差仅为0.03%。 最后利用上海光机所提供的掺铒磷酸盐玻璃,结合我们的CO_2激光加工系统成功制备了直径从50~200微米的掺铒磷酸盐微球。在实验中我们测量了掺铒磷酸盐玻璃的吸收光谱、荧光光谱和荧光寿命,实验结果与已给出的掺铒磷酸盐玻璃特性数据相符。同时我们利用直径为82.4微米的掺铒磷酸盐微球和锥腰直径2微米左右的熔锥光纤进行耦合实验,发现了掺铒磷酸盐玻璃微球中存在明显的结构共振现象。这是国内首次利用熔锥光纤去研究掺铒磷酸盐玻璃微球中的回廊模实验现象。同时分别利用974.7nm半导体激光器、1480nm可调谐激光器和1484nm拉曼光纤激光器对掺铒磷酸盐微球进行泵浦,发现利用1480nm可调谐激光器泵浦可得到等间隔的发射光谱峰。


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