回音壁模微腔中非线性光学及其应用的研究

摘要

回音壁模(Whispering Gallery Mode，WGM)光学微腔是一种环状结构的光学微腔，光子沿其内壁不断全反射而构成谐振模式。得益于腔体较低的材料损耗、辐射损耗以及散射损耗等，回音壁模微腔特别是由表面张力作用形成的微球腔、类微球腔等具有超高的品质因子。这种高品质因子结合微腔本身具备的小模式体积，可以显著地增强光子与物质的相互作用，从而使其非常适合腔量子电动力学、非线性光子学、微型传感器等领域的研究。本论文以高品质因子回音壁模微腔为载体，借助受激布里渊散射和四波混频等非线性过程，探讨微腔在低阈值布里渊激光器、光学频率梳(Optical Frequency Comb，OFC)及其衍生的窄线宽微波源、超短脉冲产生等领域的应用。主要学术研究工作如下:
　　1.WGM微腔布里渊激光器与微波信号合成
　　受激布里渊散射在低阈值激光器、窄线宽微波源、快/慢光合成等领域有重要的应用价值。本文在高品质因子石英微腔中实现阈值仅为8μW的受激布里渊激光器，并在0.6 mW的耦合泵浦功率下，观察到多达5阶的级联布里渊激射。借助于微腔中热动力引起的谐振频率漂移，通过泵浦光、布里渊斯托克斯信号光拍频，在泵浦光处于扫频状态时，可实现中心频率可调谐的微波源，而在热锁定状态下，拍频结果为频率固定的窄线宽微波信号。利用高峰值功率（百毫瓦量级）脉冲光泵浦，进一步观察到多达15阶的级联受激布里渊散射现象，这一结果有望促进微腔在100 GHz量级微波信号源的应用。
　　尽管在石英微腔中可以观察到超低阈值的受激布里渊散射现象，但是诸如碲化物玻璃等软玻璃材料微腔中的受激布里渊散射仍未被发掘。为此，本文利用高温熔融淬火、拉丝工艺制备了组分为70TeO2-20ZnO-5Na2O-5La2O3（摩尔比）的碲化物玻璃丝，并利用二氧化碳激光加工技术制备出品质因子高达1.3×107的碲化物微球腔。通过单频激光泵浦，进一步在碲化物微腔中观察到低阈值的受激布里渊散射现象。通过泵浦光与布里渊激光拍频测得该碲化物材料在1550 nm波段的布里渊频移量为8.2 GHz。考虑到通光窗口可以达到6μm，高品质因子碲化物微球腔有望在中红外波段的非线性光学中产生重要的应用。
　　2.WGM微腔OFC及其超短脉冲、超窄线宽微波信号合成
　　OFC已经在光谱学、精密测量、光钟等领域产生革命性的影响。本文主要借助四波混频效应实现基于回音壁模微腔的微型OFC，主要研究结果如下:(a)以1550nm波段的单频可调谐激光器作为泵浦源，通过扫频和热锁定方式分别在石英微腔中实现低功耗的宽带级联四波混频和稳定的OFC;OFC展现出多样性和梳齿间隔的可调谐性。(b)观察到一种新型的背向OFC，即微腔中的布里渊激光通过四波混频效应引发背向传输的OFC，与前向OFC相比，背向OFC的梳齿具有更高的信噪比以及潜在的超窄线宽特性;在高峰值功率脉冲光泵浦下，背向OFC的带宽可拓展至450nm以上。(c)在石英毫米腔中实现相位锁定的OFC，并测试出梳齿的相位信息;通过波形整形器调整梳齿相位后观察到与理论预测一致的超短脉冲;作为另一项应用，利用该锁相OFC梳齿间的拍频，可以实现超窄线宽微波信号。
　　3.利用光纤环腔/微腔耦合激光系统产生单频激光与OFC
　　为了摆脱微腔OFC对外部单频可调谐泵浦源的依赖，提出一种新的方案来产生OFC。即利用高品质因子微腔作为光纤激光器的反射镜，先产生单频激光，再利用新产生的单频激光泵浦微腔自身产生参量振荡信号，最后在光纤环腔中掺铒光纤增益的放大作用下实现稳定的OFC。该OFC同样呈现出多样性，梳齿拥有为一倍、多倍或者混合的自由频谱范围。在拉曼增益辅助作用下，OFC的带宽可达230 nm。此研究结果有助于推动小型化、低功耗、低成本微腔OFC的应用。

目录

声明

摘要

缩略词

第1章 绪论

1．1 光学微腔的分类

1．1．1 法布里-珀罗型微腔

1．1．2 光子晶体型微腔

1．1．3 回音壁模微腔

1．2 WGM微腔的应用

1．3 WGM微腔中非线性光学的发展历程

1．3．1 WGM微腔中SBS及其应用的发展

1．3．2 WGM微腔中OFC的起源及发展

1．4 本论文的结构与安排

第2章 回音壁模微腔与非线性光学原理

2．1 光学微球腔谐振原理

2．1．1 微球腔的场分布与特征方程

2．1．2 微球腔的谐振频率与自由频谱范围

2．1．3 微球腔的品质因子Q与模式体积V

2．2 WGM光学徽腔与TOF的耦合特性

2．3 WGM微腔中的非线性光学原理

2．3．1 SBS基本原理

2．3．2 FWM基本原理

2．3．3 SRS基本原理

2．4 TOF与微腔的制备

2．4．1 TOF的制备

2．4．2 微腔的制备

2．5 微腔Q值测试

2．6 本章小结

第3章 WGM微腔布里渊激光器及其微波信号合成

3．1 石英WGM微腔中的超低阈值SBS

3．1．1 SBS阈值测试

3．1．2 低功耗的级联SBS

3．2 基于布里渊微激光器的可调谐微波源

3．2．1 可调谐原理—微腔中的热动力

3．2．2 扫频状态下的可调谐微波信号

3．2．3 热锁定状态下的稳定微波信号

3．3 脉冲光泵浦WGM微腔产生15阶级联SBS

3．4 碲化物WGM微腔中的低阈值SBS

3．4．1 碲化物玻璃丝与WGM微腔的制备与表征

3．4．2 碲化物微腔的Q值测量与热效应

3．4．3 碲化物WGM微腔的低阈值SBS

3．5 本章小结

第4章 单频激光泵浦WGM微腔产生OFC及其应用

4．1 单频激光泵浦微腔产生OFC的方案介绍

4．1．1 扫频状态下的宽带级联FWM

4．1．2 热锁定状态下的稳定OFC及其可调谐性

4．2 布里渊激光引发的背向OFC

4．3 脉冲光泵浦下的宽带背向OFC

4．4 石英毫米腔锁相OFC及其应用

4．4．1 锁相OFC的实现及其相位测量

4．4．2 锁相OFC的应用——超短脉冲与超窄线宽微波信号

4．5 本章小结

第5章 基于光纤环腔／微腔耦合激光系统的OFC

5．1 基于光纤环腔／微腔耦合系统的单频激光器

5．2 利用光纤环腔／微腔耦合系统实现OFC

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 本论文的主要工作

6．2 存在的不足与展望

附件

参考文献

攻博期间发表的论文

致谢