摘要：回音壁型光学微腔由于其极高的品质因数和超小的方式体积等特性近些年来倍受人们的广泛关注,已成为现代微光学器件和腔量子电子学等探讨领域的新课题。微腔的表面等离子体波回音壁方式由于其在生物大分子探测等方面的潜在运用,也受到人们的重视,由此将作为本论文的重点讨论内容之一。本论文通过论述模拟计算和实验两方面对微盘激光器进行了探讨,主要探讨工作及结论如下：首先,设计出一种新的以半导体材料为核心结构的金属-电介质约束的微盘激光器,采取有限元法基本思想对该器件的回音壁方式进行论述计算和浅析。该器件以InGaAsP材料为核心,在其表面镀二氧化硅电介质膜,再镀贵金属金膜构成一种复合式腔体结构。这种设计结构降低了器件的损耗,改善了其参数特性。采取有限元法求解描述腔体方式分布的弱项形式全矢量亥姆霍兹方程,获得了该器件回音壁电介质光学方式和表面等离子体波方式的磁场分布；较为详细的浅析了其品质因数、方式体积等参数与其各个结构参数的联系。计算结果表明,方式指数与谐振频率和品质因数在很大范围内有很好的线性联系；谐振波长与有效折射率也在很宽的波长范围内有很好的线性联系；对于表面等离子体波方式其方式指数与方式体积呈现二次曲线联系,在模指数M为65时对应方式体积极小值为1.6×10-18m3。同时,计算结果表明该器件的品质因数要比相同尺度下的其他结构的器件的品质因数高2～3倍,在1500nm附近最高达到5400,并且具有极小的方式体积,达10-18m3量级。此外,计算表明,只有特定厚度的电介质膜层和金属膜层才对提升器件的品质因数有显著影响。其次,本论文实验方面的工作主要包括两个方面的内容,第一,采取湿法刻蚀工艺技术制作了二氧化硅微盘腔体,对整个制作流程做了详细的论述和讨论,经过反复试验,制得了较为理想的器件。制得的微盘腔,其盘面半径R为18.8mm,盘面厚度T为2.6mm,盘面支柱的平均直径D为5.0mm,支柱的高度H为8.6mm。第二,为了获得对制得的器件性能的具体认识,测试了其耦合特性。测试结果表明,论述计算得到的品质因数与实际测得的品质因数之间有较大的差距,通过对于该尺度下的微盘腔体的耦合特性的测试推算出其品质因数为4.7×103量级,而相同尺度下的器件的论述计算值为3.8×106。这个差距主要来自于器件表面,尤其是其边缘的粗糙造成的散射损耗和盘面对称性的不均匀性造成的逃逸损耗。高质量的微盘激光器的制作依然是一个很大的技术挑战。综上所述,本论文的亮点在于提出一种新的腔体设计结构,它具有比相同尺度下其它器件高2～3倍的品质因数。它的表面等离子体波方式在很宽的谐振波长范围内和有效折射率之间有很好的线性联系,该特性可望在诸如基于密度变化探测等方面有所运用。再者,本论文对器件结构与其品质因数的联系讨论对器件的实际制作有指导作用。关键词：微盘激光器论文回音壁方式论文品质因数论文模体积论文有限元法论文
摘要3-5
ABSTRACT5-7
目录7-9
第一章 绪论9-22
1.1 微盘激光器的进展历史介绍9-11
1.2 回音壁方式及微盘激光器的分类11-13
1.2.1 回音壁方式11-12
1.2.2 微盘激光器的分类12-13
1.2.2.1 按照腔体的几何形状分类12
1.2.2.2 按照腔体的几何尺度分类12-13
1.2.2.3 按照腔体的对称性与否分类13
1.2.2.4 按照腔体的材料分类13
1.3 回音壁方式在各种材料的微盘激光器中的实现介绍13-21
1.3.1 半导体材料微盘激光器13-14
1.3.2 电介质-金属结构的微盘激光器14-18
1.3.3 光子晶体微盘激光器18-19
1.3.4 聚合物微盘激光器19-21
1.4 本论文的主要内容与结构安排21-22
第二章 基础论述及数值计算策略22-29
2.1 物理描述22-23
2.2 全矢量亥姆霍兹方程的数值解法23-27
2.2.1 有限元法的基本思想23-24
2.2.2 全矢量亥姆霍兹方程的求解24-27
2.3 微盘激光器的方式分布、品质因数和模体积27-29
2.3.1 品质因数27
2.3.2 方式体积27-29
第三章 金属-电介质约束的半导体微盘激光器方式论述计算及参数浅析29-41
3.1 金属-电介质约束的半导体微盘激光器的设计29-31
3.2 两种方式的特性浅析31-41
3.2.1 微盘激光器的结构设计及其光模场分布31-32
3.2.2 盘面半径及约束膜层厚度对激光器品质因数的影响32-33
3.2.3 表面等离子体波方式33-39
3.2.4 小结39-41
第四章 二氧化硅微盘激光器的制作与测试41-51
4.1 引言41
4.2 物质结构对湿法刻蚀速率的影响41-43
4.3 制作工艺流程43-47
4.4 二氧化硅微盘激光器的测试47-50
4.5 小结50-51
第五章 总结与展望51-53
5.1 本论文的主要工作和革新点51
5.2 进一步的设想与展望51-53
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