本文選題：回音壁模式 + 球微腔��； 參考：《浙江師范大學(xué)》2015年碩士論文

【摘要】：近年來,具有高品質(zhì)因子(Q)和低模式體積(V)的回音壁模式微腔吸引了眾多學(xué)者的研究興趣。光學(xué)回音壁模式(Whispering Gallery Mode, WGM)是指在微腔內(nèi)部,光以全反射的形式傳播,使得光被約束在腔內(nèi)并沿著赤道面繞行,當(dāng)光程等于波長(zhǎng)整數(shù)倍,即滿足相位匹配條件時(shí),會(huì)產(chǎn)生等間隔分立的共振模,這種電磁場(chǎng)模式被稱作回音壁模式�；匾舯谀Ｊ轿⑶怀叽鐦O小,腔體內(nèi)部能量密度極高,并且制作過程簡(jiǎn)單方便,成本低廉,易于集成。基于以上這些特性,回音壁模式微腔作為重要的光學(xué)器件被應(yīng)用于眾多領(lǐng)域,例如非線性光學(xué)、腔量子電動(dòng)力學(xué)、光學(xué)濾波器、高靈敏度傳感器和低閾值激光器等。本文從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面出發(fā)對(duì)基于回音壁模式的光學(xué)微腔進(jìn)行了研究探索。具體的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：首先,回顧了近些年來回音壁模式光學(xué)微腔的研究背景和研究進(jìn)展,并結(jié)合具體實(shí)例簡(jiǎn)單介紹了回音壁模式光學(xué)微腔的應(yīng)用情況。其次,介紹回音壁模式光學(xué)微腔和錐形光纖的模式理論基礎(chǔ)。通過結(jié)合Maxwell方程和球微腔的邊界條件,對(duì)球微腔中的模式分布進(jìn)行分析,并對(duì)球微腔的基本特性進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹；采用商業(yè)軟件COMSOL Multiphysics提供的有限元數(shù)值分析方法對(duì)球微腔中的模式進(jìn)行數(shù)值模擬,得到了球微腔內(nèi)赤道面上回音壁模式的分布情況。利用光射線法對(duì)錐形光纖的模式特性進(jìn)行了簡(jiǎn)單探討,并使用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)不同纖芯直徑的光纖橫截面上的光場(chǎng)分布進(jìn)行仿真模擬,得到其光場(chǎng)分布。將錐形光纖與球微腔耦合系統(tǒng)作為整體,對(duì)其耦合理論基礎(chǔ)進(jìn)行了分析。然后,搭建了使用氫氣火焰加熱法制備錐形光纖的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),制備出實(shí)驗(yàn)需要的、直徑在微米量級(jí)的錐形光纖。設(shè)計(jì)了高溫熔融冷卻法制備球微腔的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),使用二氧化碳激光器加熱熔融單錐光纖,制備出不同直徑(約60 μm-125μm)的球微腔。使用寬帶光源,光譜分析儀和CCD監(jiān)控裝置搭建了錐形光纖與光學(xué)微腔耦合系統(tǒng),測(cè)量球微腔的品質(zhì)因子。利用球微腔與錐形光纖耦合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于球微腔與錐形光纖耦合系統(tǒng)的摻鉺光纖激光器,實(shí)驗(yàn)中使用摻鉺光纖作為增益介質(zhì),球微腔作為濾波器和反射鏡使用,與錐形光纖進(jìn)行耦合,使用980nmm激光二極管作為泵浦源,實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)為1563.95 nm的激光輸出,該激光器的閾值為42.86mW,最大輸出功率為0.1 mW。最后,使用氫氣火焰加熱法制備錐形光纖的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)制備出直徑漸變的圓柱形微腔。對(duì)錐形光纖與圓柱形微腔耦合系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,得到圓柱形微腔的品質(zhì)因子。使用直徑漸變圓柱形微腔(直徑約為21μm-38.7μm),實(shí)現(xiàn)了基于直徑漸變圓柱形微腔的可調(diào)諧濾波器。實(shí)驗(yàn)中圓柱形微腔的位移為60,um,得到共振波長(zhǎng)移動(dòng)量為178.8nm,共振波長(zhǎng)對(duì)位移量的變化關(guān)系為2.98nm/μm。
[Abstract]:In recent years, echo-wall microcavities with high quality factor (Q) and low mode volume (V) have attracted much research interest. Optical echoing Gallery Mode, WGM) means that light propagates in the form of total reflection inside the microcavity, so that the light is confined in the cavity and travels around the equatorial plane. When the optical path is equal to an integer multiple of the wavelength, that is, the phase matching condition is satisfied. An equally spaced discrete resonant mode is produced, which is called the echo wall mode. The size of microcavity in echo mode is very small, the energy density inside cavity is very high, the fabrication process is simple and convenient, the cost is low, and the integration is easy. Based on these characteristics, echo wall mode microcavity is used as an important optical device in many fields, such as nonlinear optics, cavity quantum electrodynamics, optical filter, high sensitivity sensor and low threshold laser. In this paper, the optical microcavity based on echo wall mode is studied theoretically and experimentally. The specific research contents include the following aspects: firstly, the research background and research progress of echo wall mode optical microcavity in recent years are reviewed, and the application of echo wall mode optical microcavity is briefly introduced with concrete examples. Secondly, the mode theory of echo-mode optical microcavity and tapered fiber is introduced. Based on the Maxwell equation and boundary conditions of the spherical microcavity, the mode distribution in the spherical microcavity is analyzed, and the basic characteristics of the spherical microcavity are briefly introduced. The finite element numerical analysis method provided by commercial software COMSOL Multiphysics is used to simulate the mode in the spherical microcavity, and the distribution of the echo wall mode on the equatorial surface of the spherical microcavity is obtained. The mode characteristics of tapered fiber are discussed by means of light ray method, and the optical field distribution on the cross section of fiber with different core diameters is simulated by COMSOL Multiphysics software, and the light field distribution is obtained. The coupling theory of tapered fiber and spherical microcavity is analyzed. Then, an experimental system for fabricating tapered fiber by hydrogen flame heating method was built, and the tapered fiber with the diameter of micron was prepared. An experimental system for the fabrication of spherical microcavities by high temperature melt cooling was designed. The spherical microcavity with different diameters (about 60 渭 m ~ 125 渭 m) was fabricated by heating the fused single-cone fiber with carbon dioxide laser. The coupling system of tapered optical fiber and optical microcavity was constructed by using broadband light source, spectrum analyzer and CCD monitoring device, and the quality factors of spherical microcavity were measured. The erbium-doped fiber laser based on the coupling system of spherical microcavity and tapered fiber is realized by using the coupling system of spherical microcavity and tapered fiber. In the experiment, erbium-doped fiber is used as gain medium and spherical microcavity as filter and reflector. The 980nmm laser diode is used as the pump source to realize the laser output at 1563.95 nm. The threshold of the laser is 42.86 MW and the maximum output power is 0.1 MW. Finally, the tapered fiber was fabricated by hydrogen flame heating method. The coupling system of tapered fiber and cylindrical microcavity is tested and the quality factor of cylindrical microcavity is obtained. The tunable filter based on the diameter gradient cylindrical microcavity (about 21 渭 m ~ 38.7 渭 m) is realized. In the experiment, the displacement of the cylindrical microcavity is 60 渭 m, and the shift of the resonant wavelength is 178.8 nm, and the relation between the resonant wavelength and the displacement is 2.98nm/ 渭 m.
【學(xué)位授予單位】：浙江師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN25

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本文編號(hào)：1906191