论文部分内容阅读
将石英裸光纤插入低折射率的激光染料溶液中,采用沿光纤轴向光抽运、抽运光的消逝波激励增益的方式,构成了一种新颖的圆柱形微腔回音壁模式(Whispering Gallery Mode, WGM)激光器,即：消逝波抽运及增益耦合的圆柱形微腔WGM激光器。本博士论文较为系统地研究了这种WGM激光器的偏振、阈值、光谱漂移及谱线展宽特性,并以此为基础,发明了一种基于PDMS基片的多波段WGM光纤激光器。论文的主要研究内容和结果如下：1.在消逝波光抽运条件下,分析并计算了圆柱形微腔中WGM激光的激光增益。推导出了高斯分布光束及均匀分布光束作为抽运光在光纤内表面的角度分布函数,并对分布函数进行了数值计算。计算结果表明：随抽运光在光纤端面上入射角的增加,分布函数曲线向光纤界面入射角的小角度方向移动,端面的大角度入射有利于抽运光的消逝场隧穿到包层染料溶液中,并有效地激发激光增益。2.推导出了圆柱形微腔中泄露损耗对应的Q值的解析近似公式,并对微腔的各种损耗进行了理论分析和数值计算。结果表明：(1)圆柱形微腔的损耗主要决定于吸收和泄露损耗；(2)对大(小)直径光纤,圆柱形微腔的损耗决定于吸收(泄露)损耗；(3)对直径适中的光纤,吸收和泄露损耗共同确定了微腔的损耗。3.分别采用轴向和侧向两种光抽运方式,对圆柱形微腔中WGM激光的偏振特性进行了较为系统的实验研究。结果表明：(1)对于侧向光抽运方式,抽运光的偏振状态决定了WGM激光的偏振状态；对于轴向消逝波光抽运方式,抽运光在光纤中的传输状态决定了WGM激光的偏振状态。(2)当抽运光以子午光线形式在光纤中传播时,WGM激光只存在TE模式激光辐射,从而形成一种特殊的径向偏振激光；当抽运光以偏斜光线形式在光纤中传播时,WGM激光辐射中既存在TE波也存在TM波,是一种径向和轴向共存的混合偏振激光。(3)相邻TE波和TM波之间的波数差,随光纤直径及包层溶液折射率的增大而规律性地减小。4.采用沿光纤轴向消逝波光抽运方式,研究了WGM激光的阈值能量和光纤直径以及包层溶液折射率的关系；研究了激光沿光纤轴向的产生长度与包层溶液折射率以及激光染料浓度的关系。结果表明：(1)随染料溶液折射率的增加,对小直径光纤,阈值能量单调递增；对大直径光纤,阈值能量缓慢地单调递减；对直径适中的光纤,阈值能量先减后增,存在一个和最小阈值能量对应的最佳折射率。(2)在一定的抽运能量下,激光沿光纤轴向的产生长度随染料浓度以及包层溶液折射率的增加而变短；产生长度和抽运能量之间满足对数型增长关系。5.采用沿光纤轴向消逝波光抽运方式,通过改变增益包层染料溶液折射率和光纤直径,研究了圆柱形微腔中WGM激光光谱漂移和谱线展宽性质。结果表明：无论是通过增加染料溶液折射率还是减小光纤直径,WGM激光都会产生光谱蓝移现象,同时光谱谱线变宽。6.利用消逝波激励增益的WGM激光器具有较长激光产生长度的特点,设计并制作了一种基于PDMS基片的WGM光纤激光器,在一块PDMS基片上同时实现了三个波段的WGM激光辐射及双波段WGM激光的定向输出。