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光学微球谐振腔与石墨烯

光学微球谐振腔与石墨烯
光学微球谐振腔与石墨烯

题目微球腔倏逝场与石墨烯

的相互作用

学院理学院

专业名称光信息科学与技术

学生学号2011302870

学生姓名单醇煦

指导老师甘雪涛

毕业时间2015年6月

本科毕业设计论文题目微球腔倏逝场与石墨烯的相互作用

专业名称光信息科学与技术

学生姓名单醇煦

指导教师甘雪涛副教授

毕业时间2015年6月

毕业

一、题目

微球腔倏逝场与石墨烯的相互作用

二、研究主要内容

通过机械剥离方法制备石墨烯,掌握石墨烯转移技术并搭建所需转移平台,利用该技术将石墨烯集成到微球谐振腔上,并用光学测量手段对转移效果进行表征,研究微球腔倏逝场与石墨烯的相互作用。

三、主要技术指标

1.利用机械剥离方法在不同基底材料上制备出具有不同层数的石墨烯,包括二氧化硅、有机聚合物薄膜(有机玻璃)等;

2. 利用熔融拉锥机以及光纤熔接机等仪器设备拉制微纳光纤以及制作玻璃微球谐振腔,并将二者进行耦合以表征微球谐振模式。

3. 利用探针实验平台将石墨烯薄层转移到微球谐振腔表面赤道线部分,成功集成石墨烯后将微球谐振腔与微纳光纤再次耦合,并进行光学表征。

四、进度和要求

第一学期-第二学期第2周:阅读二维层状材料的制备及转移方面的相关文献,撰写开题报告;

第3-13周:利用不同方法和手段制备并转移石墨烯,将石墨烯转移至微球谐振腔上并进行光学表征;

第14-16周:完成论文的撰写,并做好论文答辩的准备。

五、主要参考书及参考资料

[1]Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., et al. Electric field effect in

atomically thin carbon films. Science, 2004, 306(5696): 666-669.

[2] Gan X. T., Shiue. R. J, Mak. K. F., et al. High-contrast electro-optic modulation of

a photonic crystal nanocavity by electrical gating of graphene. Nano Lett., 2013,

13(2): 691-696.

学生学号 __________ 学生姓名

指导教师 __________ 系主任

摘要

自从石墨烯被发现以来,它因独特的二维单原子层结构和优异的电学、光学、力学以及热学性能,成为当前纳米材料领域的研究热点之一。在光学领域,石墨烯的超宽带光学响应和超高载流子迁移率使得多种新颖光学性质的揭示和新型光电器件的开发成为可能。本文实验研究了石墨烯的多种制备和转移方法,进一步将石墨烯与微球谐振腔相集成,并对集成器件进行了光学表征。实验过程中积累的技术以及方法为实验室后续石墨烯光学性质研究以及对应光电器件开发奠定了一定的基础。本文的主要研究内容有:

1. 利用机械剥离法制作了面积较大(边长大于80μm)的少数层(1-5层)石墨烯。

2. 利用步进机、氢氧发生器等仪器拉制了直径低于2μm的微纳光纤;利用光纤熔接机电弧放电烧制了直径大于80μm的石英微球;搭建微操作实验平台并利用该平台将微纳光纤倏逝波耦合进微球谐振腔内,记录谐振光谱。

3. 利用探针实验平台将制备好的石墨烯薄膜转移至微球谐振腔表面并覆盖赤道位置;并利用微纳光纤与微球谐振腔再次耦合,记录光谱并与未集成石墨烯时的微球谐振光谱进行对比分析。

4. 由理论出发,定量分析微球谐振腔倏逝场与石墨烯之间的相互作用。

关键词:石墨烯,微纳光纤,微球谐振腔

Interaction between evanescent fields of microsphere and

graphene

ABSTRACT

Graphene, since it was discovered, has become one of the hot spots in the research field of nano-materials, relying on its unique two-dimensional single-atomic structure and excellent electrical, optical, mechanical and thermal properties. In the field of optics, graphene’s ultra-broadband optical response and ultrafast carrier mobility allows the developments of a variety of novel optical properties and new optoelectronic devices. This thesis first experimentally studies methods for preparing and transferring graphene. Then, the integration and optical characterization of graphene and silica microsphere are investigated. The obtained techniques and methods during the experiments could prepare fundamentals for the research on optical properties and optoelectronic devices of layered materials in the laboratory. The main contents are as follows:

1.Obtaining few-layer graphene (1-5 layers) with large area (diameter lareger than

80 μm) using micromechanical exfoliation method.

2.Fabricating micro-nanofiber thinner than 2μm with tools such as stepper machine

and oxyhydrogen machine; Obtaining silicon microsphere with diameter longer than 80μm using optical fiber fusion splicer; Coupling both the micro-nanofiber and silicon microsphere on the experimental platform and measuring the opticalspectra.

3.Integrating graphene flakes onto the equator of the silica microsphere; Coupling

the micro-nanofiber and silicon microsphere to measure the transmission characteristics.

4.Theoretically analyzing the interaction between graphene and the evanescent

fields of the microsphere.

KEY WORDS:graphene, micro-nano fiber, silica microsphere

目录

摘要 ............................................................... I

ABSTRACT........................................................ II

第一章绪论 (1)

1.1 石墨烯概述 (1)

1.1.1石墨烯的结构 (1)

1.1.2石墨烯的基本性质 (2)

1.2石墨烯及其光电器件 (3)

1.2.1光调制器 (3)

1.2.2光电探测器 (3)

1.2.3超快锁模光纤激光器 (3)

1.2.4透明导体 (4)

1.3增强光与石墨烯相互作用的方法 (4)

1.4微球谐振腔概述 (5)

1.4.1光学微球谐振腔简介 (5)

1.4.2光学微球谐振腔回廊模及其特点 (5)

1.4.3 谐振原理 (6)

1.4.4品质因数Q (7)

1.4.5自由光谱范围 (9)

1.5 论文主要工作 (9)

第二章石墨烯的制备与转移 (10)

2.1 机械剥离石墨烯于不同基底 (10)

2.2机械剥离制得石墨烯的转移 (11)

2.2.1 基于PMMA以及PVA有机薄膜基底的石墨烯转移办法 (11)

2.2.2基于PPC有机薄膜基底的石墨烯转移办法 (12)

第三章石墨烯与微球的集成以及光学表征 (15)

3.1微球谐振腔及微纳光纤的制作及其相互耦合 (15)

3.1.1 微球谐振腔及微纳光纤的制作 (15)

3.1.2微球谐振腔的耦合方式 (16)

3.1.3微球谐振腔与微纳光纤的耦合系统分析 (17)

3.2微球谐振腔与石墨烯的集成及其光学表征 (19)

3.3碳纳米管与微球谐振腔的集成及其光学表征 (21)

3.4微球谐振腔集成石墨烯前后光学仿真 (22)

第四章总结与展望 (24)

4.1 工作总结 (24)

4.2 展望 (24)

参考文献 (25)

致谢 (29)

第一章绪论

碳元素丰富存在于自然界中,对于有机生物体来说,它是必不可少的元素之一,它是各种复杂分子,比如脂肪,类固醇,碳氢化合物,有机溶剂等的基本构造单元。碳的外层价电子层有四个电子,所以碳元素能形成多种晶体结构,比如最坚硬的金刚石以及最软的石墨。在近二十年来,多种新型碳基材料的发现,如1985年美国科学家发现的富勒烯[1]和1991年日本科学家发现的碳纳米管[2],使碳纳米材料一直处于科学界的前沿领域并且在世界范围内引起持续的研究热潮[3-10]。2004年由英国曼彻斯特大学科学家Geim及Novoselov等人发现的二维碳原子晶体-石墨烯[11,12],更是推翻了严格二维晶体无法在有限温度下存在的理论,对凝聚态物理的发展产生了深远的影响。石墨烯的发现,不仅丰富了纳米碳材料家族,形成了从零维的富勒烯,到一维碳纳米管,到二维石墨烯再到三维金刚石的完整体系,其独有的纳米结构及出色的力学、热学、电学及光学性能,使石墨烯材料的开发和研究成为继碳纳米管之后又一个国际研究热点[13-18]。由于石墨烯优异的性能以及可加工性、成本低廉等一系列优点,使石墨烯在能源、材料、光电子、生物医药等各方面具有重要的应用价值,可望在国际新材料领域掀起一场新的技术革命[19-24]。

1.1石墨烯概述

1.1.1石墨烯的结构

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体,碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中。每个碳原子除了以σ键与其他三个碳原子相连之外,剩余的π电子与其他碳原子的π电子形成离域大π键,电子可在此区域内自由移动,从而使石墨烯具有优异的导电性能。同时,这种紧密堆积的蜂窝状结构也是构造其他碳材料的基本单元,如图1.1-1所示,单原子层的石墨烯可以包裹形成零维的富勒烯,单层或者多层的石墨烯可以卷曲形成单壁或者多壁的碳纳米管[25]。

图1.1-1 石墨烯:其他石墨结构碳材料的基本构造单元,可包裹形成零维富勒烯,卷曲形

成一维碳纳米管,也可堆叠形成三维的石墨。[26]

1.1.2 石墨烯的基本性质

石墨烯独有的单原子层结构,决定了它拥有许多优异的物理性质。如前所述,石墨烯中的每个碳原子都有一个未成键的π电子,这些电子可形成与平面垂直的π轨道,π电子可在这种长程π轨道中自由移动,从而赋予了石墨烯出色的导电性能。研究表明室温下载流子在石墨烯中的迁移率可达到15000cm2/(V·s),相当于光速的1/300[26],在特定条件,如液氦的温度下,更是可达到250000cm2/(V·s)[27],远远超过其他半导体材料,如锑化铟、砷化镓、硅半导体等。这使得石墨烯中电子的性质和相对论性的中微子非常相似,且电子在晶格中的移动是无障碍的,不会发生散射,使其具有优良的电子传输性质。同时,石墨烯独特的电子结构还使其表现出许多奇特的电学性质,比如室温量子霍尔效应等[28,29]。

由于石墨烯中的每个碳原子均与相邻的三个碳原子结合成很强的σ键,因此石墨烯同样表现出优异的力学性能。最近,哥伦比亚大学科学家利用原子力显微镜直接测试了单层石墨烯的力学性能,发现石墨烯的杨氏模量约为1100GPa,断裂强度更是达到了130GPa,比最好的钢铁还要高100倍[30]。

石墨烯同样是一种优良的热导体。因为在未掺杂石墨中载流子密度较低,因此石墨烯的传热主要是靠声子的传递,而电子运动对石墨烯的导热可以忽略不计。其导热系数高达5000W/(m·K),优于碳纳米管,更是比一些常见金属,如金、银、铜等高10倍以上[31-32]。

除了优异的传导性能及力学性能之外,石墨烯还具有优异的光学性质,例如,由于具有零带隙和线性色散的电子能带结构,石墨烯对从可见光至中红外波段的光辐射具有平坦的吸收率(2.3%)[33],如图1.1-2(a)中所示,且该吸收行为可以通过调节其费米能级进行有效调控[34];另一方面,由于狄拉克点附近非常高的电子态密度,石墨烯在与低频光子相互作用时表现出强烈的非线性响应,现已证实石墨烯有高的三阶非线性[35],支持强烈的四波混频等非线性过程;另外,当

受到超快光脉冲泵浦时,石墨烯易达到饱和吸收[36](如图1.1-2(b)所示),或辐射宽带热荧光[37]。此外,单层石墨烯在可见光区的透过率达97%以上。这些特性使石墨烯在纳米器件、传感器、储氢材料、复合材料、场发射材料等重要领域有着广泛的应用前景。

图 1.1-2(a)石墨烯的线性光吸收特性[34];(b)石墨烯的非线性饱和吸收特性[37]

1.2 石墨烯及其光电器件

石墨烯在室温下超高的电子迁移率和超宽的吸收光谱以及强烈的非线性等性质,使其自成功制备以来逐渐被人们重视,并成功应用到了光电器件上,包括光调制器、探测器、超快锁模激光器以及透明电极等。

1.2.1 光调制器

与传统半导体材料相比,石墨烯不仅具有高载波移动性和较大的光学带宽等特性,还具有高兼容性、低成本以及强大的调制能力,这些都是高性能光学调制器必不可少的功能。最近,通过在硅-氧化物波导上集成单层石墨烯,Liu等得到了动态响应高达1.2GHz、覆盖带宽从1350nm至1600nm的石墨烯调制器[38];为了增强石墨烯与光场的相互作用,Gan[39]等通过在一个平板光子晶体腔体内集成石墨烯场效应管,得到了调制深度超过10dB的石墨烯调制器。

1.2.2 光电探测器

传统光电探测器大多基于传统的半导体材料,它们的性能会受到材料固有属性的限制。与传统半导体相比,石墨烯没有带隙,可吸收较大波长范围的光。此外,异常高的载流子迁移率使石墨烯成为超快光电探测器的理想材料。Xia[40]等利用机械剥离的石墨烯制备出了第一个石墨烯光电探测器,理论带宽可高于500GHz;Mueller[41]等在此基础上提出了改进的不对称叉指电极(MGM)结构的石墨烯探测器。为了增强光吸收,将石墨烯光电探测器与硅波导集成,在不牺牲高响应率和宽光谱带宽的情况下,极大地增强了光探测能力[42]。

1.2.3 超快锁模光纤激光器

被动锁模光纤激光器的工作原理是:可饱和吸收镜的非线性光学吸收特性使

腔内脉冲相位锁定,实现相干叠加;对脉冲进行压缩、整形后,输出超短脉冲激光。非线性饱和吸收材料的关键要求是响应时间快、非线性强、波长范围宽、光损耗低以及易于光学系统集成等。石墨烯能带的线性色散和高饱和吸收的泡利不相容原理结合,饱和恢复时间极短,使其成为高效的可饱和吸收体。Bao[43]等在掺铒、掺镱光纤锁模激光器方面开展了一系列研究。

1.2.4 透明导体

透明导体是触摸屏和太阳能电池等对表面电阻和高透明度要求较高器件的核心部分。传统透明导体由高度掺杂的半导体氧化物组成,例如氧化铟锡(ITO)。但是,机械的脆性、铟元素的短缺及扩散污染等因素,限制了传统透明导体的应用。石墨烯由于其高度透光性、小的薄膜电阻等特性,在作为透明导电薄膜上充分发挥了其潜力与优势。石墨烯与硅、金属和碳纳米管组成的复合材料,可以作为透明导体薄膜。

虽然石墨烯已经被应用于多种光学器件上,但由于石墨烯厚度小于0.4nm,单次通过的光波无法与其进行有效地相互作用,限制了器件性能的进一步提高。因此,如何有效增强石墨烯与光场相互作用,成为石墨烯光电子学发展的一个挑战。

1.3 增强光与石墨烯相互作用的方法

在光谱的某些波段,光与石墨烯的相互作用相当弱,光垂直入射到石墨烯表面时,石墨烯载流子将发生带间跃迁到导带,从而石墨烯表现出一定的光导率。而石墨烯的光吸收率是由光导的实部决定,实验测得其常数值--2.3%,这极大地限制了石墨烯在光电探测器件中的应用。因此,如何增强光与石墨烯之间的相互作用,从而提高石墨烯在光谱某些波段的吸收率有着极其重要的意义。

在光谐振腔中,光能量密度是和品质因数Q与共振模体积V的比值Q/V成正比的。而二维光子晶体纳米腔尤其具备极高的Q值(上限可达106)以及极小的模式体积(波长的立方),这些都使得它能够实现强的光耦合效应。

在双总线波导集成石墨烯的结构中,相互作用长度很长从而使带宽较宽的光谱吸收得以实现。对于光波导耦合而言,首先,由于光波导Si或SiO2与空气之间存在很大的折射率差,使得光场被紧紧地约束在Si波导中,从而可以把器件做得更小,将光能量场密度增大;其次,微纳光纤作为典型的微纳光波导,具有低损耗、强倏逝场以及色散参量可调等优点。这使得该办法成为增强光与石墨烯相互作用众多办法中不可或缺的一种。另外,采用微纳光纤微环谐振腔与微纳光纤的耦合或微球谐振腔与微纳光纤的耦合作为增强光与石墨烯相互作用的载体。而本文实验就采用了微球谐振腔与微纳光纤的耦合实现光与石墨烯的作用放大。

增强光与石墨烯相互作用的办法还有很多,除上述办法外常用的已报道办法还有采用法布里-珀罗腔、法诺共振、表面等离子体共振等为载体实现增强效果。

1.4 微球谐振腔概述

光学微球腔由于其特有的回音壁模式(Whispering Gallery Modem,WGM),使其具有极高的品质因数、极低的模式体积。作为一种新型的光学谐振腔,人们对其发展前景非常的看好,特别是在光信息技术领域,新型激光器件、光学传感器等领域,并已经得到初步的应用。目前对微球谐振腔的研究大多还停留在实验阶段,在许多方面还没有成熟的理论分析与计算。对微球腔的场进行分析并研究其特性,将对微球腔的进一步的推广应用,有着非常重要的意义。

1.4.1光学微球腔简介

光学微腔一般是指直径介于几微米至几百微米之间的光学介电谐振器,通常使用的材料是二氧化硅等光学玻璃,微腔的类型有多边棱镜、微型圆柱、圆盘、圆环、球体等类型。近年来,人们对微球腔的研究日益增多,主要是因为光学微球腔具有的极高品质因数和极小模式体积。

在大容量、超高速信息处理的低功率运转、高密度集成的微型发光元件及开关元件的领域,实现高性能微型元件的关键问题之一,就是设法把光高效的封闭在微小空间内。一般而言,由于光的波动性,元件的容积越小,封闭光的效率就越低。例如,由两块反射镜相向组成的法布里-珀罗型光共振器,在实验室里用的氩离子激光器的光共振器,其品质因数可以达到105以上,但是要使其尺寸降到微米量级,就难以做到了。而光学微球腔却可以做到这一点,当将微球置于低于微球介质折射率的媒质中时,光波在微球内以大于临界角的方向上不断的全反射,从而被约束在球内。绕行的光波满足一定的相位匹配时,就可以互相叠加增强,形成在微球腔传播的本征模。

人们把这种在微球腔内所特有的本征模,定义为回廊模。正是因为回廊模的存在,使光学微球腔有了极高品质因数和极小模式体积。

1.4.2 光学微球腔回廊模及其特点

回廊模(Whispering Gallery Modem,WGM,或者WG),又称回音壁模式,名称来源是根据位于中国北京的天坛中存在的一个物理现象,在天坛有一个回音壁的景点,如果一个人站在东配殿的墙下面朝北墙轻声说话,而另一个人站在西配殿的墙下面朝北墙轻声说话,两个人把耳朵靠近墙,即可清楚地听见远在另一端对方的声音,而且说话的声音回音悠长。这虽然是声波的传播,却与微球中的光波传播有着类似的特征。正是由于如此,英国的物理学家J.W.S.Rayleigh(1842-1919)在对这种光波进行研究后,将这种球形介质中的共振模称为“回音壁模式”或者“回廊模”。用几何光学的全反射理论只能定性的解释回音壁模式,而不能作出数值上的分析,特别是对微球腔中的光场分布进行分析,必须借助电磁理论对场进行分析。按照电磁理论的解释,就是电磁波在球形谐振腔会发生散射,人们习惯称之为Mie散射。

由于光学微球腔特有的回音壁模式而使其具有一般谐振腔所没有的一些特殊优点。由于光场大多被封闭在球内,球外的光场为近场,是局限于球表面附近的倏逝波(Evanescent Wave )。它是一种非传播波,光场的振幅在矢径方向指数下降,因此从球内透出到球外的平均能流为零。这就使回音壁模式下的微球具有极高的品质因数和极小的模式体积,它在线性和非线性光谱中存在非常窄的共振峰值。这些峰值的波长,即共振模的本征波长仅取决于介电微球的尺寸和折射率,这就为非线性、量子光学等现象提供了条件,也为光子学器件的发展提供了新的可能。

V .B.Braginsky [44]等人采用直径几百微米的玻璃微球,品质因数(Q )值达到108,成功地观测到阈值很低的光稳定性。他们指出,若能利用回廊模非常高的Q 值,就能把阈值降到几个光子的水平。球的尺寸越大,由衍射效应产生的漏光相对减小,越是比较接近上述几何光学模型。

1.4.3 谐振原理

以横电型波(TE 型波)为例说明WG 模式的谐振原理(见图1.4-1)。设折射率为n s 、半径为R 的介电微球位于真空中。以微球中心为坐标原点,在球坐标(r ,θ∈[0,2π])下,WG 模式的电磁波场可由Debye 势函数ψ(r,θ,φ)表示为:

)(ψr rot E =

(1.4-1) ()???>≤?=-R r kr h kR h R kn j R

r r kn j P e ae l l s

l s l m l im t i ),()(/)(),()(cos ,1)1(θψ?ω (1.4-2) 其中)(cos θm l P 为连带勒让德函数,)(r kn j s l 与)()1(kr h l 为球贝塞尔函数,a 为系数,k 为真空中光波的波数,R 为微球半径。

图 1.4-1 球坐标系定义及基本WG 模式传播方向

以上由Debey 势函数表示的场分布比较复杂。Little 等讨论了场的偏振方向对于球坐标轴为常数的情况,得出在赤道附近(l >>│θ-2π│)场的分布,经过简化,它可以近似表述为:

θψθθ??,,q m l E E == (1.4-3)

))2((}2(2exp{}exp{),,(22,,πθπθ??θψ-?--=-m H m jm N r m l s p m l )

R r R r R r r kn j r kn j s s l s l >≤???--?)},(exp{)(),(α (1.4-4)

其中│m │>>1,N s 为归一化系数,)(l m l m H θ-为哈密顿多项式,系数222/)1(s s n k R l l -+=α。

WG 模式下的光波传播可以理解为:光在微球的内表面上不断全反射,从而被约束在球内沿着球的大圆绕行,同时为了在绕行中光波叠加得到增强,光波绕行一周后应满足一定的相位匹配条件。在1.4-2和1.4-4式中,除时间外其余指数均可分为两部分:含纯虚指数的项exp {jm ?}和其他实数项。纯虚指数项反映了光绕行的特点,而其他项则反映了场振幅的分布。在球外,光场则是局限在球表面附近的倏逝波,公式1.4-4中系数αs 正是描述了球外振幅在矢量半径r 方向是指数下降的。光场的绝大部分能量处于球内,球外的能量很微弱,并且由于球外为非传播波,因此球内透出球外的平均能流为0。这就是WG 模式下的微球具有极高品质因数和极小模式体积。

简化前后的两组公式表示的模式场分布可有如下三个一组的参量描述:l 、m 、q 。给定一组参量,则可以由自然边界条件和介质边界条件决定对应的谐振频率。其中l 为模式数,直接与谐振波长相关,约等于微球大圆上能容纳的波长数(l ≈2πRn s /λ)。q 为球贝塞尔函数j l (kn s r)在球内的极值数目,即光波的振幅在径向的波腹数目,反映了球内光波场的径向分布。m 等于赤道面上场的极大数目(m =-l ,...,0,...l ),描述了光波在球内的绕行方向。在相同的l 、q 情况下,不同的m 所代表的模式实际上对应于沿着不同倾斜角的大圆绕行的光波。这些光波的绕行平面与赤道面的夹角不同,而其他方面均相同。m 的大小反映了光波绕行矢量在φ方向上投影分量的大小。而±m 代表了绕行方向完全相同的一对光波。因此,对于一个完美的介电微球,谐振频率仅仅与l 、q 有关,相同l 、q 条件下不同m 代表的模式在频率上可以简并。

1.4.4 品质因数Q

光学微腔的品质因数Q 表征腔对耦合进入到腔中能量的存储能力,Q 值越高,说明微腔对能量的存储能力越强。作为微腔的一个重要参量,它决定了微腔在很多方面的应用潜力。品质因数Q 可表示为:

W U Q 00ωω=?=功率损耗(或增益)储能 (1.4-5)

其中ω0表示光的角频率,U 指腔内存储的激光能量,W 指损耗的激光能量。我们可以利用一个微分方程描述腔体中储存的能量U :

U Q

dt dU 0ω-= (1.4-6) 对上述方程求解,可得:

U Q U t U )exp()(0

0ω-= (1.4-7)

因此谐振腔内光场强度随时间的变化满足指数衰减形式:

)exp()(0

00t Q t i E t E ωω-= (1.4-8)

对E (t )进行傅里叶变换,可求得它的频谱:

2020202)2/()()()(Q E dt e t E E t i ωωωωω+-==?+∞

∞-- (1.4-9)

从上式可以看出,腔内场的谐振分布为洛伦兹型函数,谐振模式宽度即为ω0/Q ,因此我们可以根据模式宽度得到Q 值,即Q=ω0/Δω。

微球腔品质因数可以分解为几项:与回廊模损耗相关的Q int ;与球腔表面不均匀和球腔表面污染物而引起的Raleigh 散射损耗相关的Q surf 以及与腔内吸收损耗相关的Q abs 。

111int 1----++=abs surf s Q Q Q Q (1.4-10)

根据参考文献[45],对于由标准通信光纤烧制成的石英微球腔,取其通信波长为1550nm ,光纤的包层对于1550nm 波长的折射率为1.45,根据相关理论[46],可知回廊模本征品质因数随着微球腔几何尺寸的增大而增大,即由于球面半径的弯曲而引起的回廊模损耗随着微球腔几何尺寸的增大而减小。对于直径在40μm 以上的微球腔Q int =109[47],表明回廊模引起的损耗是可以忽略的。

光线通过均匀的透明媒介(玻璃、清水)时,从侧面是难以看到光线的。如果媒质不均匀,有悬浮微粒的浑浊液体,我们便可从侧面清晰地看到光束的轨迹,这是媒质的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果。光的散射与不均匀性的尺度有很大关系。在光波的作用下他们将成为强度差别较大的次波源,而且从他们到空间各点已有不可忽略的光程差,这些次波相干叠加的结果,光场中的强度分布将与上述均匀媒质情形有所不同,这时,除按几何光学规律传播的光线外,其它方向或多或少也有光线存在,即散射光存在。与球腔表面不均匀和污染物而引起的散射损耗表达式为[48]:

2/52253/102163r s surf n n Q σπξλ= (1.4-11)

其中σ为球表面不均匀度。根据上式可知,当微球半径较大时,球表面的不平等引起的散射损耗相对较小。对于直径在40-100μm 的微球腔,Q surf 在106-108之间。要降低Q surf 的唯一途径就是降低表面粗糙度和表面杂质。

除真空外,没有一种媒质对电磁波是绝对透明的。光的强度随穿进媒质的深度而减少的现象,称为媒质对光的吸收[49]。散射和吸收这两种情况不同,前者是光被媒质中的不均匀性散射到四面八方,后者则是光能被媒质吸收后转化为电能。

ext s abs n Q λαπ

2= (1.4-12)

对于石英球微球,当直径大于40μm 时,其球腔的品质因数主要取决于球的粗糙度和表面清洁度。当球腔越大时,粗糙度和表面清洁度对球腔品质因数的越小。在实验中,光波长为633nm 时,Gorodetsky 等观测了一个直径为750μm 的熔融二氧化硅制成的微球腔,其品质因数Q 为(0.8±0.1)×1010[50]。

1.4.5 自由光谱范围

对于具有对称结构的微腔,自由光谱范围(FSR )表示相邻角向模的波长(频率)间隔。光学微腔可以轻易地实现较大的FSR 。微腔半径为R ,折射率为n ,L =2πR 时,FSR 可表示成:

nL c FSR =?ν, nL

nR FSR 222λπλλ==? (1.4-13)

但微球腔在实际制备中由于重力等因素,存在一定偏心率e 而非严格的球体,这使得原本对于同n r 和l ,但不同的m ,(2l+1)度简并的共振波长发生了分裂,频率变化为

l

m l e lm n l n r r -≈-ννν (1.4-14)

此时的自由光谱范围近似为: )12(+='l nL c FSR ν (1.4-15)

1.5 论文主要工作

本文的主要研究了石墨烯的制备与转移,并制备微纳光纤和微球谐振腔进行耦合和光学表征;进一步将石墨烯集成到微球谐振腔表面,并进行光学表征与集成石墨烯前的光谱做对比,结合数值模拟得到石墨烯对光的相互作用。全文共分为四章,以下各章的主要内容包括:

第2章:利用机械剥离法在不同基底上制作面积较大(边长大于80μm )的薄层(1-5层)石墨烯。

第3章:制作微纳光纤及微球谐振腔,并实现耦合;集成石墨烯于微球谐振腔并再次实现耦合,进行光学表征对比并分析数据。

第4章:总结本文工作,并对下一步工作的开展提出一些建议。

第二章石墨烯的制备与转移

2.1 机械剥离石墨烯于不同基底

微机械剥离法是借助摩擦石墨表面获得片层,并利用光学对比度进行筛选获得单层的石墨烯薄片。该方法工艺简单、成本低廉,制备出来的石墨烯具有良好的晶格结构和电学特性,很适合于实验室基础研究。但这种方法具有偶然性,制备出的石墨烯尺寸小且产量低,很难满足大规模应用要求。

本实验中,微机械剥离石墨烯具体办法是采用美国3M公司制造的特殊胶带分别粘在大面积石墨层的两个表面并进行剥离,如此重复该实验步骤,最终将进行了适当剥离次数的石墨对准预先制备好的基底并贴合,按压后在基底获得薄厚不等的石墨烯薄层。

通过显微镜在反射光工作模式下观察,由于不同层数的石墨烯对光的反射效果不同,如PMMA/Si基底的条件下,在光学显微镜反射光模式下对PMMA/Si基底上的石墨烯进行观察时,不同层数的石墨烯片引起的相移和振幅调制及PMMA 层对光的反射(如图2.1-1所示),使得反射光的相对强度不同,导致不同层数的石墨烯相对于基底具有不同的衬比度C=[I (n1=1)-I (n1)]/I(n1=1),其中I(n1=1)为没有石墨烯时的反射光强,与PMMA层的厚度有关,I(n1=1)为有石墨烯时的反射光强,因此可以筛选出层数较低(1-10层)的石墨烯。

图 2.1-1基底上石墨烯的光反射

图 2.1-2石墨烯附着在基底上

由图2.1-2可见,在显微镜反射工作模式下不同厚度的石墨烯具有不同的衬比度。其中,具有亮白色外观的是层数较多的石墨,而具有浅紫色外观的部分为少数层石墨烯。不同区域石墨的具体层数确认,需要进一步通过分析拉曼光谱来实现。

2.2机械剥离制得石墨烯的转移

2.2.1 基于PMMA以及PVA有机薄膜基底的石墨烯转移办法

机械剥离制得的石墨烯最终需要向光学器件表面集成。因此,为便捷地将石墨烯从基底取出并向光学器件转移,我们采用聚合物薄层作为牺牲层。利用金刚石切割刀将大面积单晶硅片分割成为尺寸大约1cm×1cm的正方形硅片,利用丙酮对其进行超声清洗,取出后利用异丙醇以及甲醇进行冲洗确保硅片高度清洁,利用压缩氮气进行吹干并用密封容器保存以便后续使用。利用去离子水作为溶剂,聚乙烯醇(PVA)作为溶质,以适当的比例(大约30mg/100ml)混合并利用磁转子升温搅拌溶解。同时利用四氢呋喃作为溶剂,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为溶质配制浓度约6%的溶液,同样利用电磁搅拌加速溶解。利用匀胶机在洁净硅片表面旋涂PVA溶液,利用电磁炉升温至80摄氏度蒸干溶剂水,再利用匀胶机在PVA薄膜表面旋涂PMMA溶液,升温120摄氏度蒸干溶剂四氢呋喃。其中旋涂速度不同会导致薄膜厚度以及均匀度不同,在多次试验后最终确定的最佳条件为PVA旋涂转速以2000r/s为最佳,PMMA旋涂转速以2500-3000r/s为最佳。该条件下制作的基底颜色偏紫,在后续石墨烯的观察中最佳。由于石墨烯在PMMA薄膜表面作用力较强,因此在该方法中较容易制得层数较薄面积较大的石墨烯薄层。

图 2.2-1 聚合物牺牲层法转移石墨烯

如上图所示,当石墨烯附着在PMMA表面,将基底放置在水面。由于PV A能

够溶解于水中,因此在加热条件下,PV A迅速溶解,从而硅片于PMMA薄膜分离。PMMA比重低于水因此能够漂浮在水面。利用中心带有圆形孔的有机玻璃片打捞,最终获得能够向光学器件转移的石墨烯薄层。

2.2.2 基于PPC有机薄膜基底的石墨烯转移办法

由于上述办法转移石墨烯的工艺复杂,对PVA和PMMA旋涂厚度要求苛刻,成功率较低,比如:PVA薄膜不均导致无法完全溶解分离,或由于硅片自身重力作用将PMMA薄膜以及其表面石墨烯一同带入水中导致石墨烯污染等等。因此本实验中大多数转移工作采用了基于氯化聚丙酮(PPC)薄膜的转移工艺。

实验采用丙酮作为溶剂,氯化聚丙酮作为溶质,配置浓度为0.125mg/ml的溶液。实验初期采用传统工艺进行转移,即利用单晶硅薄片制作PPC薄膜,如图2.2-2(a)所示。利用带有圆孔的美国3M公司胶带将PPC薄膜从单晶硅表面粘下,如图2.2-2(b)所示。利用载玻片表面粘贴直径略微小于胶带圆孔直径的圆柱形PDMS为载体,将上述圆孔对准PDMS下压从而得到以PDMS为衬底的PPC薄膜,如图(c),(d)所示。采用氧化硅为基底制备石墨烯,利用探针试验台在显微镜下将圆形PDMS对准目标石墨烯调节使之与氧化硅表面贴合,如图(e)。升温即可将石墨烯由氧化硅表面转移到PPC薄膜表面,如图(f)所示,从而实现下一步的转移工作。

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

图 2.2-2基于PPC薄膜的传统转移办法

如图2.2-2(a)、(b)所示,实验利用打孔机在胶带中央打孔,并利用该胶带将硅片表面旋涂制作的PPC薄膜粘下。图2.2-2(c)、(d)展示了实验利用PDMS为衬底将胶带圆孔对准下压的过程,图(e)、(f)则展示了最终制作结果。

上述工艺不仅工序复杂,而且存在许多弊端,例如:氧化硅表面与石墨烯作用力较小。因此,胶带剥离的石墨烯不易附着;利用PPC薄膜从氧化硅表面升温粘取石墨烯时部分较薄的石墨烯无法粘取,获取目标石墨烯具有较低的成功率;升温粘取石墨烯后PPC薄膜在与氧化硅表面分离过程中会出现形变,该形变导致后续转移时目标石墨烯在显微镜下不同焦距,等等。

为解决上述问题,本实验对传统工艺进行了改进。本实验中新的工艺放弃了硅片以及氧化硅片,采用了大小1cm×1cm的洁净玻璃片旋涂PPC薄膜作为基底。将胶带撕制的石墨烯直接向PPC表面转移。转移成功后,如图2.2-3(a)和(b)所示,利用带有圆孔胶带将薄膜粘下,之后与传统工艺相同,如图2.2-3(c)和(d)所示,利用PDMS为衬底将PPC薄膜衬于其表面。该工艺大大简化了工序,提高了制造效率。不仅如此,由于PPC薄膜附着石墨烯能力更强,同时石墨烯转移步骤减少,因此该工艺中获得大面积薄层石墨烯的效率大大提高。其中,图2.2-3(e)为显微镜在透射工作状态下CCD拍摄的图像,该工艺下制得尺寸达到110μm以上的石墨烯概率较大。

(a) (b)

第二章 光学谐振腔基本理论

第二章光学谐振腔基本概念 (1) 2.1光学谐振腔 (1) 2.2非稳定谐振腔及特点 (1) 2.3光学谐振腔的损耗 (2) 2.4减小无源稳定腔损耗的途径 (2) 反射镜面的种类对损耗的影响 (2) 腔的结构不同,损耗不同 (2) 第二章光学谐振腔基本概念 2.1光学谐振腔 光学谐振腔是激光器的基本组成部分之一,是用来加强输出激光的亮度,调节和选定激光的波长和方 向的装置。 光线在两镜间来回不断反射的腔叫光学谐振腔。由平面镜、凹面镜、凸面镜的任何两块镜的组合,构成各类型光学谐振腔。 光学谐振腔的分类方式很多。按照工作物质的状态可分为有源腔和无源腔。虽有工作物质,但未被激发从而无放大作用的谐振腔称之为无源谐振腔;而有源腔则是指经过激发有放大作用的谐振腔。 2.2非稳定谐振腔及特点 非稳定谐振腔的反射镜可以由两个球面镜构成也可由一个球面镜和一个平面镜组合而成。若R1和R2为两反射镜曲率半径,L为两镜间距离,对于非稳腔则g1,g2:满足g1*g2l 非稳腔中光在谐振腔内经有限次往返后就会逸出腔外,也就是存在着固有的光能量可以横向逸出而损耗掉,所以腔的损耗很大。在高功率激光器中,为了获得尽可能大的模体积和好的横模鉴别能力,以实现高功率单模运转,稳定腔不能满足这些要求,而非稳腔是最合适的。与稳定腔相比,非稳腔有如下几个突出优点: 1.大的可控模体积 在非稳腔中,基模在反射镜上的振幅分布式均匀的,它不仅充满反射镜,而且不可避免地要向外扩展。非稳腔的损耗与镜的大小无关,这一点是重要的,因此,只要把反射镜扩大到所需的尺寸,总能使模大致充满激光工作物质。这样即使在腔长很短时也可得到足够大的模体积,故特别适用于高功率激光器的腔型。 2.可控的衍射耦合输出

光学谐振腔

§9-4 光振荡 一、受激辐射与自发辐射 受激辐射除了吸收过程相矛盾外,还与自发辐射相矛盾,处于激发态能级的原子,可以通过自发辐射或受激辐射回到基态,在这两种过程中,自发辐射往往是主要的,设高低能级的粒子数密度分别为21n n 和,根据(9-7)式和(9-8)式,可得到受激辐射和自发幅射光子数之比。 21 ()u v B R A = (9-24) 如果要使1R >>,则能量密度()u v 必须很大,而在普遍光源中,能量密度()u v 通常是很小的,例如在热平衡条件下,对于发射1m λμ=的热光源来讲,当温度为300K 时1210R -=,由(9-24)式可知,在此情况下,受激辐射光子数比自发辐射光子数少得多,如果要使受激辐射光子数等于自发辐射光子数,即1R =,则此热光源温度就需高达500000K ,可见在一般光源中,自发辐射大大超过了受激辐射。 但是我们可以设计一种装置,使在某一方向上的受激辐射,不断得到放大和加强,就是说,使受激辐射在某一方向上产生振荡,而其它方向传播的光很容易逸出腔外,以致在这一特定方向上超过自发辐射,这样,我们就能在这一方向上实现受激辐射占主导地位的情况,这种装置叫做光学谐振腔。 二、光学谐振腔 象电子技术中的振荡器一样,要实现光振荡,除了有放大元件以外,还必须具备正反馈系统,在激光器中,可实现粒子数反转的工作物质就是放大元件,而光学谐振腔就起着正反馈、谐振和输出的作用。 全反射镜 工作物质部分反射镜 (图9-10) 图9-10就是光学谐腔的示意图,在作为放大元件的工作物质两端,分别放置一块全反射镜和一块部分反射镜,它们互相平行,且垂直于工作物质的轴线,这样的装置就能起到光学谐振腔的作用。 当能实现粒子数反转的工作物质受到外界的激励后,就有许多粒子跃迁到激发态去,激发态的粒子是不稳定的,它们在激发态寿命的时间范围以内会纷纷跳回到基态,而发射出自发辐射光子,这些光子射向四面八方,其中偏离轴向的光子很快就逸出谐振腔外,只有沿着轴向的光子,在谐振腔内受到两端两块反射镜的反射而不致于逸出腔外,这些光子就成为引起受激辐射的外界感应因素,以致产生了轴向的受激辐射,受激辐射发射出来的光子和引起受激辐射的光子有相同的频率,发射方向,偏振状态和位相,他们沿轴线方向不断地往复通过已实现了粒子数反转的工作和振荡,这是一种雪崩式的放大过程,使谐振腔内沿轴向的光骤然增加,而在部分反射镜中输出,这便是激光。

1光学谐振腔作用

1光学谐振腔作用?谐振腔的作用是提供正反馈,使激活介质中产生的辐射能多次通过介质,当受激辐射所提供的增益超过损耗时,在腔内得到放大,建立并维持自激振荡。它的另一个重要作用是控制腔内振荡光束的特性,使腔内建立的振荡被限制在腔所决定的少数本征模式中,从而提高单个模式内的光子数量,获得单色性好,方向性好的强相干光。2光学谐振腔的构成要素有哪些,各自有哪些作用?(1)激活介质:用于补偿腔内电磁场在振荡过程中的能量损耗,使之满足阈值条件。(2)两个镀有高反射率膜的反射镜:使得激活介质中产生的辐射能多次通过介质获得增益,同时控制光束的输出。3光学谐振腔的稳定条件是什么,有没有例外?稳定条件的导出根据何在?光学谐振腔的稳定条件为,即,没有例外。因为谐振腔稳定性的这一判据,是要求腔内傍轴光线不会因腔镜的反射偏折而逃出谐振腔,没有考虑光波的衍射逃逸损失,只考虑几何损失,属于对谐振腔稳定性的最低要求。由于没有限定光线往返的次数,这一最低要求实际上是一严苛的要求,从而成为谐振腔稳定性的判据。4 什么样的光学谐振腔腔内存在焦点?特别的稳定腔时若腔镜的中心在腔内则腔内存在焦点,一般的若高斯光束的束腰在腔内则对应的光学谐振腔腔内存在焦点。5试分析ABCD定律在光学谐振腔分析中的作用。因为ABCD定律可以描述任意近轴光线在谐振腔内的往返传播行为,与初始坐标无关,但若给出了初始坐标,根据ABCD定律就可以得到行进的最终坐标。6一般稳定球面镜谐振腔与其等价共焦谐振腔,有什么相同,有什么不同?任何一个共焦腔与无数多个稳定球面腔等价。而任何一个稳定的球面腔唯一的等价于一个共焦腔。共焦腔属于临界腔,而稳定球面腔属于稳定腔。7 非稳腔的优点是什么?非稳腔的优点是:(1)具有大的可控模体积,是适用于高功率激光器的腔型。(2)可从腔中提取有用衍射耦合输出。(3)容易鉴别和控制横模。(4)易于得到单端输出和准直的平行光束。8 几何损耗存在于哪一类型的谐振腔中?主要存在于非稳定的谐振腔中。9 光学谐振腔的衍射损耗与其什么参数相关?光学谐振腔的衍射损耗的大小与菲涅尔数有关,与腔的几何参数有关,和横模的阶数有关。10为什么说光学谐振腔积分方程的特征值的实部决定腔损耗?由于,代入中得:。即表示腔内经单程度越后自再现模的振幅衰减。即的实部决定腔损耗,表示每经一次度越的相位滞后,所以的虚部决定的单程相移。11 为什么说光学谐振腔积分方程的特征值的虚部决定光波的单程相移?由于,代入中得:。即表示腔内经单程度越后自再现模的振幅衰减。即的实部决定腔损耗,表示每经一次度越的相位滞后,所以的虚部决定的单程相移。12稳定谐振腔有哪些可能的形式?与非稳定谐振腔相比有哪些缺点?稳定谐振腔可能的腔镜组合形式有:双凹型,平凹型,凸凹型。与非稳定谐振腔相比的缺点为:选模能力差,高阶横模也能起振;模式体积小,只适用与低增益介质。13 光学谐振腔有哪些常用研究方法?如何理解自再现模?采用衍射积分方程方法研究激光器的模式和采用几何光学的办法研究各有什么优缺点?(1)光学谐振腔常用的研究方法为:几何光学和衍射积分方程方法(2)经过多次往返传播后,光场每一次传播只带来相位滞后和振幅衰减,其振幅横向分布(横模)基本保持不变,如此实现的稳定场分布叫做自再现模。谐振腔自再现模的生成,主要是因为光波通过光阑系统,一再受到周期性的损失,其振幅和相位不断地进行再分布所造成的结果,它与初始的波形和特性无关。(3)光学谐振腔长远大于光波长,可忽略波动性,将光束看成光线。基于几何光学的光线传输矩阵方法,简便、直观,对谐振腔稳定性的分析以及高斯光束ABCD定律与实验一致,只是光线传输矩阵法不能分析衍射损耗和腔模特性。考虑波动和衍射,基于腔模自再现概念,麦克斯韦方程可化为本征积分方程。这一本征积分方程是描述谐振腔特性的严格方程。解析解提供的光波模式特性有助于理解相干性、方向性、单色性等一系列激光重要特性。14 什么是光学谐振腔的模式?对纵、横模的要求各是什么?其中含有什么物理思想?①横模:谐振腔内光场在垂直于其传播方向的方向上的稳定场分布。纵模:满足谐振条件沿轴线纵向方向上的驻波场分布。②:稳定横模需要满足镜面上来回反射光波相对振幅和相位分布不再变化的条件。纵模需要满足等效腔长应为谐振半波长整数倍的条件,即驻波条件。15 Fox-Li的数值迭代法解平行平面镜谐振腔,有哪些结论,有哪些意义?(1)结论:○1.振幅分布:中心振幅最大,偶对称,高阶横模:过零点的数量和该模的阶数一致○2、相位分布:镜面不是等相位面,基模(TEM00)不再是平面波,菲涅尔数大可近似被节线分开的各个区域内,仍可近似看作平面波。○3、单程相移和损耗:解稳定后,取镜面上一点,计算一次渡越传播后某一模式在该点场的振幅和相位大小的相对变化,相对变化的复数分析便可求出该模式的平均单程相移和损耗。附加单程相移为○4.谐振频率:,同纵模不同横模,谐振频不同。菲涅尔数N越大,频率差异越大;横模阶次越高,频率差异越大(2)意义:1.它用逐次近似计算直接求出了一系列自再现模,第一次证明了开腔模式的存在,并从数学上论证了开腔自再现模积分本征方程的存在。2.有助于对自再现模形成的物理过程的理解,数学运算与波在腔中往返传播而形成自再现模的物理过程一一对应。3.原则上,可以用来计算任何形状的开腔中自再现模,具有普适性。16 稳定球面谐振腔傍轴光线的单程相对功率损耗,它与单程衍射损耗因子之间有何关系?自再现模在腔中内单程传播所经受的光强相对损耗,为模的平均单程损耗,,这其中既包括了几何光学的光横向偏折,同时也包括了衍射等其他损耗。单程衍射损耗因子的辐值越大,腔中单程传播后自再现模的光功率衰减越大。17 同一个光学谐振腔中的不同横模,有什么异同?相同点:都是光束在横向的场分布。不同点:基横模的强度分布比较均匀,光源的发散角小,且损耗最小,随着横模阶数的提高,强度分布不均匀,光束的发散角增大,且损耗较大。它们光斑形状、大小不一样、相位频率不同、偏振不一样。18高阶横模的不同模斑若相遇,能否干涉,为什么?不能确定。如果是同一个高阶横模的不同模斑,它们频率相同、偏振方向是平行的,确实有固定的相位差180°或0°,只要光程差在相干长度内,就能干涉,可相消也可相长。若不同的的高阶横模,即使同一纵模的不同横模,也有频率差,而不能干涉,但即使这个差可忽略,它们的偏振方向和相位也是不同的,因此不能干涉。19分别由方形镜和圆形镜组成的稳定谐振腔有没有区别?为什么?有区别。虽然两者的基模光束的振幅分布、光斑尺寸、等相位面的曲率半径及光束发散角等完全相同,却有如下区别:(1)圆形球面镜镜与方形球面镜共焦腔情形不同,有两块相同圆形球面镜所组成的对称共焦腔,具有柱对称结构,采用极坐标系讨论谐振腔的光场分布和传播更方便。(2)方形镜共焦腔模式的解是一组特殊定义的长椭球函数,并且在腔的N值不是很小的情况下,可以近似表示为厄米多项式与高斯函数乘积的形式。对于圆形镜共焦腔,本征函数的解为超椭球函数,在N不是很小的情况下,可以近似表示为拉盖尔多项式与高斯函数乘积的形式。(3)方形镜面上的高阶横模的光斑半径与基模的光斑半径的关系是,而圆形镜共焦腔镜面上的高阶横模的光斑半径是。20 能否得到稳定腔横模的解析表示?为什么?不能得到。首先,根据典型激光器中开放式光学谐振腔的实际情况,进行标量处理,忽略了腔内光场的偏振特性。第二,对于方程的求解比较困难,只有对特殊的腔型可以解出解析解,其他情形需要使用数值解法。第三,解析表示包括强度和相位,虽然有与稳定腔相等价的共焦腔,但相同振幅上的每一个点的相位是不同的。21为什么说对称共焦腔非常重要?对称共焦腔不仅能定量地说明共焦腔振荡模本身的特性,更重要的是它能被推广应用到整个低损耗球面镜腔系统。共焦腔模式理论表明,任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价,而任何一个稳定球面腔唯一地等价于一个共焦腔。因此共焦腔的模式理论是研究激光模式理论的一个重要基础,利用对称条件可以简化积分本征方程,从而得出精确的解析解,并对模式的场分布进行分析。所以研究对称共焦腔显得很重要。22 如果使用一个参数描述稳定谐振腔的衍射损耗大小,你愿意用哪个?为什么?选用菲涅尔数来表示。其中a为腔镜半径,L为腔长。因为衍射损耗来源于光束衍射,衍射损耗的大小与腔镜的大小及距离有关。而菲涅耳数N与模的表面积和模的光斑面积有关,所以它在一定程度上反映了导致衍射损耗的另外两个因素:腔的几何结构和横模的阶数。所以选用菲涅尔参数N来描述衍射损耗大小。23 激光器单纵模谱线宽度由谁决定,请列举出涉及的因素。能不能归纳到一个参数描述. ,上式不包括增益,称为无源腔的线宽。它与腔的损耗、光子寿命等因素有关,可以归纳到一个参数Q上,Q代表谐振腔品质因数,Q越高,腔的存储性能好,损耗小,光子寿命长,线宽越窄。24 激光器中介质增益系数的阈值条件的物理含义是什么?该系数是由激光振荡阈值条件推导而来,由增益系数公式和小信号粒子集居反转数密度最低要求联立解得,其物理意义是激

光学微环谐振腔的研究与应用

光学微环谐振腔的研究与应用 摘要:随着光纤通信技术的发展,光通信网络需要不断地提高工作性能和降低运营成本,其核心技术在于光波导器件的微型化、集成化和规模化,与此同时未来全光网络迫切需要能够实现多种功能的新型光波导器件。微环谐振器(简称微环)满足了上述两个要求,其微纳米量级的尺寸非常适于大规模单片紧密集成。 本文首先说明了光的全反射理论和波导的基本结构。然后介绍了光学微环谐振腔器件原理和他们的光学传输特性。基于绝缘体上硅波导(Silicon-On-Insulator SOI)的微纳米环形谐振腔,由于其尺度为微纳米范围,具有超高的集成度并且其加工技术可以和互补型金属氧化物半导体(Complementary metal–oxide–semiconductor COMS)工艺相兼容,使其正在成为光器件加工的诱人方案。我们在这里提出一种耦合的集成光波导结构,这样的结构可以使集成化的光波导陀螺的灵敏度得到加强。 关键词: 微谐振腔, 光波导,SOI,陀螺 RESEARCH&APPLICATIONS OF OPTICAL MICRORING RESONATORS Abstract With the development of fiber-optic communication technologies, high-performance and low-cost are both desirable for optical communication networks.The core technology includes small-size optical waveguide devices with the potentials for integrations.In addition, optical waveguide devices with various functions for all optical signal processing are becoming more important for the realization of future all-optical networks.The microring resonator is a suitable candidate to meet these two requirements.Moreover, its small size is very suitable for integration with large dimension. In this thesis, we first introduce the light of total internal reflection (TIR) theory and the basic structure of waveguide. Then we introduce the principle of mcroring

第一节 开放光学谐振腔

第二章 开放光学谐振腔 光学谐振腔是激光器不可缺少的组成部分。它的作用是提供激光振荡所必需的负反馈,选择振荡模式,并且为激光输出腔外提供一定的耦合。 本章主要研究开放式光腔。这类光学谐振腔通常由线度有限的两面光学反射镜相距一段距离共轴放置而形成。与微波波段的封闭式谐振腔相比较,光学开腔敞开了侧面边界,以降低振荡的本征模式数目。两面反射镜之间的轴向距离,称为腔长。腔长远大于波长,也远大于反射镜的线度,一般为厘米或米的量级。一面反射镜的反射率尽量接近1,以减小能量的损失,另一方面反射镜具有适当的透过率,以便能够输出一定的能量。 开腔式光腔的处理方法是建立在衍射理论基础上的,本章介绍开放光学谐振腔的衍射理论及其处理结果。 第一节 开放光学谐振腔构成 如图2-1所示,考虑一个长、宽、高分别为l b a ,,矩形谐振腔中的本征模式,麦克斯韦方程的本征解的电场分量为: t i z t i y t i x p n m p n m p n m e z l p y b n x a m E t z y x E e z l p y b n x a m E t z y x E e z l p y b n x a m E t z y x E ,,,,,,sin cos sin ),,,(sin sin cos ),,,(cos sin sin ),,,(000ωωωπππππππππ---?? ? ????? ????? ??=?? ? ????? ????? ??=?? ? ????? ????? ??= (2.1-1) 其中波矢z z y y x x e k e k e k k ++=,l p k b n k a m k z y x /,/,/πππ===( ,3,2,1,0,,=p n m ),谐振角频率: ()()()222,,////l p b n a m c k c p n m πππω++== (2.2-2) (2.1-1)式表明在x ,y ,z 三个方向上,在腔壁上,电场的平行分量为0.每一个本征模式的空间分布都是稳定的驻波分布,任意(m ,n ,p )表征一种空间驻波分布。每一个本征解代表场的一个模式,因此任意(m ,n ,p )代表一个模式,称为模指数。或者任意一个分立的波矢p m m k ,, 代表一个模式。在波矢空间中(图2-2),相邻两个模式波矢之间的间距:

光学谐振腔的分类之一

光学谐振腔的分类之一 腔内傍轴光线几何逸出损耗的高低:稳定腔、非稳腔、临界腔。 稳定腔:腔内傍轴光线经过任意多次往返传播而不逸出腔外的谐振腔。 非稳腔:腔内光线经过有限次往返传播后逸出腔外的谐振腔。 临界腔:能够保证截面平行于反射镜面的光束在反射镜间传播不逸出。 什么样几何形状的谐振腔?共轴球面腔的三个参数:腔镜的曲率半径R 1、R 2、腔长 L 需要满足什么样的条件呢? 本节讨论光学谐振腔的稳定性条件。 1.共轴球面谐振腔的稳定性条件 光线在球面谐振腔内往返n 次的光学变换矩阵: = 往返n 次后光线的空间位置坐标与方向坐标: 如果在无论n 取多大值、任何值的情况下,An 、Bn 、Cn 和Dn 都是在一定范 围内的有限值,那么 和 就是有限值,只要反射镜的镜面横向尺寸足够大,就可以保证傍轴光线在腔内往返任意次、无限次而不会从侧面逸出。 从M n 的表达式中可以看出,角度 的大小对矩阵中的四个元素An 、Bn 、Cn 和Dn 起着决定性的作用。 和 取值大小,反映的是光线偏离光轴能力的大小,即造成激光几何 损耗的大小。 下面我们就分三种情况对 角的取值加以讨论,并希望能从中寻找出谐振腔的稳定性条件。 n n n n n A B M C D ??=?????? ? ???----???? ???)1sin(sin sin sin )1sin(sin sin 1n n D n C n B n A 1111n n n n n n r A r B C r D θθθ=+?? =+? ?n r n θn r n θ????? ??? ??? - --=+-=-=-=1212121222)21)(21() 11(24)1(221R L R L R L D R R R R L C R L L B R L A

最新光学微环谐振腔的研究与应用张浩SY1119222

光学微环谐振腔的研究与应用张浩 S Y1119222

光学微环谐振腔的研究与应用 摘要:随着光纤通信技术的发展,光通信网络需要不断地提高工作性能和降低运营成本,其核心技术在于光波导器件的微型化、集成化和规模化,与此同时未来全光网络迫切需要能够实现多种功能的新型光波导器件。微环谐振器(简称微环)满足了上述两个要求,其微纳米量级的尺寸非常适于大规模单片紧密集成。 本文首先说明了光的全反射理论和波导的基本结构。然后介绍了光学微环谐振腔器件原理和他们的光学传输特性。基于绝缘体上硅波导(Silicon-On-Insulator SOI)的微纳米环形谐振腔,由于其尺度为微纳米范围,具有超高的集成度并且其加工技术可以和互补型金属氧化物半导体(Complementary metal–oxide–semiconductor COMS)工艺相兼容,使其正在成为光器件加工的诱人方案。我们在这里提出一种耦合的集成光波导结构,这样的结构可以使集成化的光波导陀螺的灵敏度得到加强。 关键词: 微谐振腔, 光波导,SOI,陀螺 RESEARCH&APPLICATIONS OF OPTICAL MICRORING RESONATORS Abstract With the development of fiber-optic communication technologies, high-performance and low-cost are both desirable for optical communication networks.The core technology includes small-size optical waveguide devices with the potentials for integrations.In addition, optical waveguide devices with various functions for all optical signal processing are becoming more important for the realization of future

浅谈光学谐振腔

浅谈光学谐振腔 摘要:光学谐振腔是激光器的基本组成部分之一,是用来加强输出激光的亮度, 调节和选定激光的波长和方向的装置,从真空紫外到远红外的绝大部分激光系统都使用了光学谐振腔。本文从光的传播矩阵推导了谐振腔的稳定条件和光腔损耗,并解释了横模形成的原因。最后介绍了自由电子激光器谐振腔、微腔和X 射线激光腔。 关键词:激光;谐振腔;自由电子激光腔;微腔 1激光 1.1激光简介 激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。激光具有方向性好、单色性好能量集中、相干性好等特点。正因为激光器具备的这些突出特点,因而被很快运用于工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等各方面,并在许多领域引起了革命性的突破[1]。 1.2激光器的分类 (1)按工作物质分类:根据工作物质物态的不同可把所有的激光器分为以下几大类:①固体激光器(晶体和玻璃);②气体激光器;③液体激光器;④半导体激光器;⑤自由电子激光器。 (2)按激励方式分类:①光泵式激光器;②电激励式激光器;③化学激光器; ④核泵浦激光器。 (3)按运转方式分类:由于激光器所采用的工作物质、激励方式以及应用目的的不同,其运转方式和工作状态亦相应有所不同,从而可区分为以下几种主要的类型。①连续激光器;②单次脉冲激光器;③重复脉冲激光器;④可调激光器; ⑤锁模激光器;⑥单模和稳频激光器;⑦可调谐激光器[2]。 (4)按输出波段范围分类:根据输出激光波长范围之不同,可将各类激光器区分为以下几种:①远红外激光器;②中红外激光器;③近红外激光器;④可见激光器;⑤近紫外激光器;⑥真空紫外激光器;⑦X射线激光器,目前软X 射线已研制成功,但仍处于探索阶段[1]。 1.3激光器的组成 任何一种激光器,其基本结构都可以分为三部分:(1)工作物质,用来产生受 激发射;(2)激励(泵浦)装置,用来激励工作物质以获得粒子数反转;(3)光学共

04光学谐振腔

光学谐振腔 光学谐振腔是激光器的基本组成单元,又可以在激光系统中单独作为光波长选择器。 光学谐振腔的振荡模式为腔内光波的频率,相位,振幅等参数呈稳定分布的振荡状态。光场的一种稳定分布状态就是一种振荡模式。 当两个平面镜平行放置如图1.16(a)所示,它们中间为自由空间,光波在两镜1M 和2M 之间反射导致腔内波的相长干涉和相消干涉。从1M 反射向右边传输的波和从2M 反射向左边传输的波发生干涉。结果是在腔内形成一系列驻波,如图1.16(b)所示(就像一震动吉他弦在两固定点间的驻波)。假设镜面是用金属涂覆,镜面处的电场必须为0。要满足上述条件,则谐振腔的腔长L 必然等于半波长2 /λ 的整数倍,即 L m =?? ? ??2λ ,3,2,1=m (1) 对于一个给定的m 值,满足方程的特定波长记为m λ,定义为谐振腔的模式。如图1.16(b)所示。由于光频率为ν、波长为λ,其关系是λ ν/c =,这 些模式的相应频率m ν就是腔的谐振频率。 ()L c v mv L c m f f m 2/;2==?? ? ??=ν (2) f ν 是对应 1 =m (基模)的最低频率,也是两相邻模式的频率间隔,f m m m v v v v =-=?+1。被定义为自由光谱范围(FSR )。谐振腔的频谱为梳状谱。如 果腔内没有损耗,例如镜面对光全反射,在由方程(2)定义的m v 处的峰是尖锐的线。如果镜不能对光全反射,会有一些光从腔内辐射出去,因此这些模式的峰不是尖锐的,有一定的宽度。很明具有两个镜子的光学腔,只在特定频率用于储存辐射能量,称作F-P 光学谐振腔,又称之F-P 为标准具。 M 1 M 2 υ m m + 1 m - 1 (a ) (b) (c ) 1 Schematic illustration of the Fabry-Perot optical cavity and its properties. (a) Reflected waves interfere. (b) Only standing EM waves, modes, of certain waveleng ths are allowed in the cavity. (c) Intensity vs. frequency for various modes. R is mirror reflectance and lower R means hig her loss from the cavity. ?1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)

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