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回音壁模(Whispering Gallery Mode,WGM)光学球腔通过电磁场的全内反射,将光场限制在腔内壁边缘,形成稳定的、低损耗的光学谐振。与传统一维光学谐振腔(如法布里-珀罗腔)相比,WGM二维光学谐振腔具有极高的模式品质因子(Quality factor,Q)和较小的模式体积(Mode Volume,V),这种模式特性可极大地增强光与物质的相互作用,因此在腔量子动力学、极低阈值激光器、非线性光学、微波光子学以及高灵敏度生物传感等领域得到广泛的研究和应用。本论文提出一种新型的球形谐振腔加工方法,制备得到尺寸更大,Q值更高的谐振腔,为微腔布里渊激光器提供了良好的模式基础。通过构建石英球腔布里渊激光器的泵浦、测量以及分析的实验平台,实现了低阈值的布里渊激射。另外,基于光纤锥与球腔的耦合不稳定特性,设计一种腔-锥耦合封装系统,进一步提高了布里渊激光器的稳定性,为微腔布里渊激光器的光学应用奠定基础,主要研究内容包括:1.构建光纤锥与回音壁微腔耦合模理论从经典的电磁理论出发,构建了光纤锥的光波导理论,简要分析了光纤锥尺寸对不同导波模的传播常数、场分布以及能量分布的影响;构建球形光学谐振腔的电磁理论,基于球坐标下的亥姆霍兹方程,推导石英球腔的本征方程,进而得到微球腔的回音壁模场分布;构建光纤锥与球腔的耦合模方程,分析了光纤锥与WGM微腔的耦合特性,分别比较了欠耦合、临界耦合以及过耦合三种条件下光纤锥的透过率以及微腔的Q值的变化情况。2.石英球腔的制备提出一种新型的石英球形光学谐振腔加工方法,采用高功率CO2激光器(波长10.6μm)熔融电机带动的石英毫米棒表面,同时径向一维扫描毫米棒的顶端,得到表面光滑、直径范围从200μm至800μm的球形谐振腔。构建光学谐振腔的Q值测量系统,采用低速和高速扫频两种方式分别测量了不同尺寸球腔的谐振模式Q值。在低速扫频下,采用洛伦兹拟合测量Q值,在高速扫频下,通过对测试得到的透射谱进行理论拟合,可估算对应的本征Q值,耦合Q值以及总Q值,最终从直径620μm的球形腔中测试得到总Q值可达5×108。3.WGM微腔的15阶级联布里渊激光器的实现介绍了受激布里渊散射的原理,构建微腔布里渊激光器的实验平台,采用可调谐激光器泵浦实现了基于石英球腔的低阈值布里渊激光器;连续光泵浦直径760μm的微腔,测量得到布里渊激光器的阈值为96μW,泵浦光与斯托克斯光、斯托克斯光之间的微波拍频信号分别为11GHz和22GHz(在波长1.55μm附近石英材料的布里渊声子频率为11GHz),采用脉冲光泵浦的方式(峰值功率达到300mW)实现了 15阶级联的布里渊激光器,这是在石英球腔内实现的最高阶布里渊激射。4.微球腔-光纤锥耦合结构的封装及其性能测试设计并提出了采用紫外固化胶机械固定的方式实现了腔-锥耦合结构的封装并测试该结构的性能,得到如下结论:(1).耦合封装器件仍保持高Q特性,均在108量级;(2).耦合封装器件的透射光场的时域稳定性有了显著的提高;(3).封装器件可实现更稳定的级联布里渊激光器,在30分钟内波动范围小于0.1dB,实现了一阶斯托克斯光的信噪比达68dB、边模抑制比达39dB的布里渊激射。由于泵浦光中存在强烈的瑞利散射,抑制了布里渊散射信号的产生,因而这是目前观察到的最好结果。