全光信息处理技术的进步,极大地推动了光学精密器件的发展,特别是那些光学结构简单、体型微小、制造成本低廉并且整体性能更加稳定的光学微型器件。基于微纳结构的光学谐振腔就是一个很重要的光学元器件。尺寸优化的光纤微环谐振腔具有良好的干涉滤波性能,结合四波混频效应,可用于实现新型多波长光纤激光器。微环谐振腔具有较高的Q值和较小的模式体积,具有典型的光学回音壁模式特征,可广泛应用于光学传感、微型激光器制造、超窄线宽滤波和全光通讯等众多领域。因此,集成度高、体积极小的光学微纳结构成为光学领域的研究热点之一。在化学材料领域,基于单分散镧系元素掺杂的上转换纳米颗粒材料具有稳定的光化学特性,如尖锐稳定的发射峰、相对持久的激发态能级寿命、较高的抗光漂白性、较长的斯托克斯位移和较低的材料毒性,使其成为产生激光的最佳候选介质。上转换纳米颗粒材料能将近红外光转换为可见光或紫外光,促进了它在生物细胞标记与监测、医疗成像、显示器件、防伪和激光等各个领域的应用。但是上转换荧光仍然存在发光效率低,荧光带宽很宽的缺点。本论文主要研究将上转换纳米颗粒材料与微纳光学谐振腔相结合,将带宽很宽的上转换荧光转化为功率密度更高、带宽极窄的上转换激光,结合物理微纳光学和化学材料两大领域,取得了新的突破。本论文的主要工作如下:1.研究了光学微纳结构的发展历史,阐述了光学回音壁模式的原理。从麦克斯韦方程组出发,以经典微球腔为基础,推导了相关的理论公式,描述了品质因子和模式体积等衡量微腔性能的物理参数。基于本文实验中用到的微环结构,用FDTD Solutions对由微环和长波导组成的耦合结构进行数值模拟分析。2.详细描述了利用光纤熔融拉锥机制作环形谐振腔的过程。微型光纤谐振腔具有波长滤波特性,基于四波混频,实现了新型的2μm掺铥多波长光纤激光器,分析了输出光谱随泵浦功率变化的过程。3.引入上转换纳米颗粒材料和上转换发光的概念,介绍了上转换发光过程中的五种能级跃迁机理。描述了实验中用到的四氟钇钠上转换纳米颗粒溶液的制作过程,分析了溶液的荧光特性和增益特性。结合微环谐振腔的回音壁模式特性和上转换纳米增益介质,实现了输出蓝色激光的新型上转换纳米激光器,并分析了该激光器的实验结果。该激光器的波长与上转换纳米材料的荧光谱一致。4.最后介绍了微球谐振腔的制作过程以及基于微球谐振腔的上转换激光器实验进展。揭示了实验中存在的不足之处,对接下来的研究工作和未来的研究方向做了展望。