發(fā)布時間：2018-09-09 18:37

【摘要】：近些年來,光學(xué)諧振腔,特別是光學(xué)微腔具有較高品質(zhì)因子和較小模式體積等優(yōu)點,在許多領(lǐng)域越來越成為一個比較重要的研究熱點,包括基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究,如腔光-力學(xué)、腔-量子電動力學(xué)、非線性光學(xué)、生物傳感及微型激光器等方面。其中,利用高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔可以制得低閾值、窄線寬的激光器。通過光纖錐燒制而成的微球腔,其Q值接近1010。加州理工學(xué)院的Vahala研究組使用光刻、HF刻蝕、XeF2干法刻蝕、CO2激光回流等過程制備出回音壁模式氧化硅微環(huán)芯腔。氧化硅表面經(jīng)熱熔化處理因表面張力作用形成非常光滑的圓環(huán)形,其Q值可達4X108。本論文詳細(xì)研究了回音壁模式光學(xué)微腔的制備及其在激光器方面的應(yīng)用研究。通過溶膠凝膠法制備稀土摻雜的氧化硅光學(xué)微腔可得到低閾值的微型激光器。本論文主要包括如下幾方面內(nèi)容:1.研究了溶膠凝膠法于硅片表面制備氧化硅薄膜的工藝。通過改良溶膠凝膠法中各溶液組分的配比、陳化干燥時間及高溫退火方式等因素,我們制備出致密無裂紋的氧化硅薄膜,厚度可在200 nm～2μm之間不等。通過在溶膠凝膠法過程中摻入任意種類及濃度的稀土元素,可制得不同摻雜濃度的氧化硅薄膜。實驗表明,同等制備工藝情況下,隨著摻雜濃度的增加,制備的氧化硅薄膜會變薄。為了得到不同摻雜濃度且厚度一致的氧化硅薄膜,不同摻雜濃度薄膜的制備工藝會略有不同。2.簡要論述了微光纖的拉制工藝。詳細(xì)討論了回音壁模式光學(xué)微腔的制備過程,包括光刻、HF濕法刻蝕、XeF2干法刻蝕、CO2激光回流等過程。我們通過溶膠凝膠法制備出厚度約1.3 μm的摻鉺氧化硅薄膜,隨后制備出摻鉺氧化硅微盤腔及微環(huán)芯腔。通過控制XeF2氣體各向同性刻蝕硅柱的時間和速率,將硅柱的直徑控制在5μm以內(nèi),隨后經(jīng)CO2激光回流后,我們第一次制得硅片集成的摻鉺氧化硅微球腔。通過1480 nm波段的可調(diào)激光器共振激發(fā)三種光學(xué)微腔,我們都觀測到了鉺離子的上轉(zhuǎn)換綠光。同時測得了摻鉺微環(huán)芯腔和微球腔激光器的激光光譜,其中微球腔激光器的閾值可低至976 nW。3.利用溶膠凝膠法制得摻釹氧化硅薄膜,隨后制備出不同尺寸不同釹摻雜濃度的氧化硅微環(huán)芯腔。通過780 nm波段可調(diào)激光器泵浦微腔,我們分別在910 nm和1064 nm波段測得激光光譜,閾值分別為108.5 μW和1.6μW。當(dāng)采用非共振激發(fā)摻釹微腔時,我們同樣在1064 nm波段測得激光光譜,閾值約137 μW。4.在溶膠凝膠法配制溶液時,我們摻入硝酸銩和硝酸鈥,分別制備了不同濃度比例的摻銩氧化硅薄膜和銩鈥共摻氧化硅薄膜,厚度均約為1.35μm。隨后利用集成工藝,分別制備出摻銩微環(huán)芯腔和銩鈥共摻微環(huán)芯腔。采用1.6 μm波段的可調(diào)激光器泵浦,我們測得摻銩微腔激光靠近2 μm附近的激光光譜,最低閾值約2.8 μW。同時,我們也測得銩欽共摻激光器在2 μm以上的激光光譜,最低閾值約2.7 μW。另外,當(dāng)改變泵浦波長時,我們觀測到不同顏色的熒光圖像。
[Abstract]:In recent years, optical resonators, especially optical microcavities, have become more and more important research hotspots in many fields due to their advantages of high quality factor and small mode volume, including fundamental research and applied research, such as cavity opto-mechanics, cavity-quantum electrodynamics, nonlinear optics, biosensors and micro-lasers. Low threshold and narrow linewidth lasers can be fabricated by using high quality factor optical microcavities. The Q value of the microcavities fabricated by firing fiber cones is close to 1010. The Vahala research group of California Institute of Technology fabricated the echo wall mode silicon oxide microcavity by using photolithography, HF etching, XeF2 dry etching, CO2 laser reflux and so on. In this paper, the fabrication of the echo-wall mode optical microcavity and its application in lasers are studied in detail. The rare earth doped silicon oxide optical microcavity is prepared by sol-gel method, and a low threshold micro-laser can be obtained. The main contents of this paper are as follows: 1. The preparation technology of silicon oxide film on silicon wafer surface by sol-gel method is studied. By improving the composition of solution in sol-gel method, aging drying time and high temperature annealing method, we have prepared dense and crack-free silicon oxide film with thickness ranging from 200 nm to 2 micron. Silicon oxide thin films with different doping concentration can be prepared by adding any kind and concentration of rare earth elements into the sol-gel process. The experimental results show that under the same preparation process, with the increase of doping concentration, the prepared silicon oxide thin films will become thinner. The fabrication process of the doped thin films will be slightly different.2.The fabrication process of the microfiber is briefly discussed.The fabrication process of the microcavity in the echo-wall mode is discussed in detail,including photolithography,HF wet etching,XeF2 dry etching,CO2 laser reflux and so on.The erbium-doped silica thin films with thickness of about 1.3 micron are prepared by sol-gel method. Erbium-doped silicon oxide micro-disk cavity and micro-ring core cavity were fabricated. By controlling the time and rate of XeF2 gas isotropic etching the silicon column, the diameter of the silicon column was controlled within 5 micron. After CO2 laser reflux, we first fabricated the integrated Erbium-doped silicon oxide micro-disk cavity. In the optical microcavity, we have observed upconversion green light of erbium ions. Laser spectra of erbium-doped microcavity core cavity and microsphere cavity laser have also been measured. The threshold value of microsphere cavity laser can be as low as 976 nW.3. Neodymium-doped silicon oxide thin films were prepared by sol-gel method, and then different size and different concentration of neodymium-doped silicon oxide micro-rings were prepared. Core cavity. Pumped by a 780 nm tunable laser, the laser spectra were measured at 910 nm and 1064 nm, with thresholds of 108.5 and 1.6 mu W, respectively. The thickness of Tb-doped SiO_2 thin films and Tb-Ho co-doped SiO_2 thin films with different concentration ratios were about 1.35 micron. Then the Tb-doped and Tb-Ho co-doped micro-ring core cavities were fabricated by integrated technology. Using tunable laser pumping at 1.6 micron band, we measured that the Tb-doped micro-cavity laser was close to 2.5 micron. Laser spectra near micron have a minimum threshold of about 2.8 mu W. At the same time, we have also measured the laser spectra above 2 mu, and the minimum threshold is about 2.7 mu W. In addition, fluorescence images of different colors are observed when the pump wavelength is changed.
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN248

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