微盤(pán)激光器的模式理論及器件制作研究.pdf

1、回音壁型光學(xué)微腔由于其極高的品質(zhì)因數(shù)和超小的模式體積等特性近些年來(lái)倍受人們的廣泛關(guān)注，已成為現(xiàn)代微光學(xué)器件和腔量子電子學(xué)等研究領(lǐng)域的新課題。微腔的表面等離子體波回音壁模式由于其在生物大分子探測(cè)等方面的潛在應(yīng)用，也受到人們的重視，因此將作為本文的重點(diǎn)討論內(nèi)容之一。本文通過(guò)理論模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)微盤(pán)激光器進(jìn)行了研究，主要研究工作及結(jié)論如下:
　　 首先，設(shè)計(jì)出一種新的以半導(dǎo)體材料為核心結(jié)構(gòu)的金屬-電介質(zhì)約束的微盤(pán)激光器，采用有限

2、元法基本思想對(duì)該器件的回音壁模式進(jìn)行理論計(jì)算和分析。該器件以InGaAsP材料為核心，在其表面鍍二氧化硅電介質(zhì)膜，再鍍貴金屬金膜構(gòu)成一種復(fù)合式腔體結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)降低了器件的損耗，改善了其參數(shù)特性。采用有限元法求解描述腔體模式分布的弱項(xiàng)形式全矢量亥姆霍茲方程，獲得了該器件回音壁電介質(zhì)光學(xué)模式和表面等離子體波模式的磁場(chǎng)分布;較為詳細(xì)的分析了其品質(zhì)因數(shù)、模式體積等參數(shù)與其各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明，模式指數(shù)與諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)在很大

3、范圍內(nèi)有很好的線性關(guān)系;諧振波長(zhǎng)與有效折射率也在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)有很好的線性關(guān)系;對(duì)于表面等離子體波模式其模式指數(shù)與模式體積呈現(xiàn)二次曲線關(guān)系，在模指數(shù)M為65時(shí)對(duì)應(yīng)模式體積極小值為1.6×10-18m3。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果表明該器件的品質(zhì)因數(shù)要比相同尺度下的其他結(jié)構(gòu)的器件的品質(zhì)因數(shù)高2～3倍，在1500nm附近最高達(dá)到5400，并且具有極小的模式體積，達(dá)10-18m3量級(jí)。此外，計(jì)算表明，只有特定厚度的電介質(zhì)膜層和金屬膜層才對(duì)提高器件的品質(zhì)

4、因數(shù)有顯著影響。
　　 其次，本文實(shí)驗(yàn)方面的工作主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，第一，采用濕法刻蝕工藝技術(shù)制作了二氧化硅微盤(pán)腔體，對(duì)整個(gè)制作流程做了詳細(xì)的論述和討論，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，制得了較為理想的器件。制得的微盤(pán)腔，其盤(pán)面半徑R為18.8mm，盤(pán)面厚度T為2.6mm，盤(pán)面支柱的平均直徑D為5.0mm，支柱的高度H為8.6mm。第二，為了獲得對(duì)制得的器件性能的具體認(rèn)識(shí)，測(cè)試了其耦合特性。測(cè)試結(jié)果表明，理論計(jì)算得到的品質(zhì)因數(shù)與實(shí)際測(cè)得的品質(zhì)

5、因數(shù)之間有較大的差距，通過(guò)對(duì)于該尺度下的微盤(pán)腔體的耦合特性的測(cè)試推算出其品質(zhì)因數(shù)為4.7×103量級(jí)，而相同尺度下的器件的理論計(jì)算值為3.8×106。這個(gè)差距主要來(lái)自于器件表面，尤其是其邊緣的粗糙造成的散射損耗和盤(pán)面對(duì)稱性的不均勻性造成的逃逸損耗。高質(zhì)量的微盤(pán)激光器的制作依然是一個(gè)很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
　　 綜上所述，本文的亮點(diǎn)在于提出一種新的腔體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，它具有比相同尺度下其它器件高2～3倍的品質(zhì)因數(shù)。它的表面等離子體波模式在很寬